Table des matières - UCLouvain · 2020. 4. 8. · UAA1 - clarification conceptuelle 3 2. Objets...

UAA1 - clarification conceptuelle

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Clarification conceptuelle à l’usage du professeur

Table des matières

1. Difficulté spécifique aux apprentissages en chimie ..................................................................... 2

2. Objets macroscopiques ............................................................................................................... 3

2.1. Corps purs et mélanges ...................................................................................................... 3

2.2. Techniques de séparation ................................................................................................... 3

2.3. Solution, soluté, solvant ....................................................................................................... 7

2.4. Concentration massique ...................................................................................................... 7

2.5. Incertitude absolue associée à une mesure ........................................................................ 8

2.6. Notion d’élément ................................................................................................................ 10

3. Objets microscopiques .............................................................................................................. 10

3.1. Molécules et atomes .......................................................................................................... 10

3.2. Caractéristiques de l’atome ............................................................................................... 11

3.3. Ecriture symbolique des atomes et des molécules ........................................................... 12

3.4. Les isotopes ....................................................................................................................... 12

4. Tableau périodique des éléments chimiques ............................................................................ 14

4.1. Structure générale du tableau périodique des éléments ................................................... 15

4.2. Les corps métalliques et les corps non-métalliques dans le tableau périodique .............. 16

4.3. Le tableau périodique et le modèle de Bohr ...................................................................... 18

Références ......................................................................................................................................... 20

Annexe 1. Les modèles de l’atome .................................................................................................... 21

Annexe 2. La taille d’un atome........................................................................................................... 29

Annexe 3. Les spectres d’absorption / d’émission des atomes ......................................................... 31

HGT - SCG

Chimie

UAA1


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1. Difficulté spécifique aux apprentissages en chimie

La chimie est la science de la matière et de ses transformations. Le monde de la chimie englobe donc tous les matériaux qui nous entourent – les cailloux que nous foulons, la nourriture que nous mangeons, la chair dont nous sommes faits et le silicium que nous introduisons dans les ordinateurs.

L’établissement de connexions entre les phénomènes que nous observons autour de nous et les explications qu’en donne le chimiste en termes d’atomes, de molécules et d’énergie est l’une des difficultés rencontrées lors des apprentissages. La difficulté est donc de développer l’aptitude à relier ce que nous voyons à ce que nous pouvons imaginer sur la façon dont les choses se passent au niveau microscopique.

Lors d’un exposé présenté au Congrès des sciences, en 2012, Jeremy Dehon et Philippe Snauwaert (UNamur) ont clairement montré l’existence, pour décrire un phénomène chimique, de 3 niveaux de savoirs entre lesquels on demande à l’élève de naviguer. Souvent, le professeur passe implicitement d’un niveau à l’autre et l’élève ne sait pas alors à quel niveau il se situe.

Le schéma ci-dessous montre ces 3 niveaux de savoirs. Il s’inspire librement du schéma proposé lors du Congrès des sciences de 2012.

Il serait pertinent, pour chaque étape d’apprentissage, d’expliciter, pour les élèves, le niveau dans lequel on se situe.

Monde perceptible

Domaine concret des expériences

Niveau macroscopique

Transformation chimique

Mode de représentation : image, film, tableau, description ...

Monde construit

Domaine abstrait de la modélisation

Niveau microscopique

Réaction chimique faisant intervenir molécules, atomes, ions

…

Mode de représentation : écriture nominative de la réaction

chimique, icones …

Niveau symbolique

Equation chimique pondérée faisant intervenir des formules

chimiques

Mode de représentation : symboles (chimiques et mathématiques)

Dans cette première UAA, les élèves observeront des objets, des matériaux (niveau macroscopique). Ils décriront leurs caractéristiques et leurs utilisations (C2). Ils feront appel à leurs connaissances acquises au premier degré pour déterminer s’il s’agit d’un mélange ou d’un corps pur. On peut réactiver ces notions par une activité documentaire ou expérimentale (voir FA1). Ils manipuleront des substances chimiques pour constituer un mélange homogène lorsqu’ils prépareront une solution (A1). La concentration massique de celle-ci la caractérise d’un point de vue quantitatif.

Lorsqu’ils modélisent la matière, en représentant les entités (molécules ou atomes) par des triangles par exemple, ils passent au niveau microscopique (C1). S’ils écrivent la formule chimique de la molécule ou le symbole de l’atome, ils sont dans le registre symbolique (C3).

Enfin, ils illustreront la difficulté qu’ont eue les scientifiques à passer du monde macroscopique au domaine abstrait de la modélisation en parcourant l’histoire du modèle atomique.


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2. Objets macroscopiques

2.1. Corps purs et mélanges

La matière est ce qui compose tout corps, elle forme les êtres vivants, les astres, l’atmosphère, les montagnes, les vêtements que nous portons, les objets que nous touchons, …. La matière occupe de l'espace et possède une masse. Ainsi, en physique, tout ce qui a une masse est de la matière. En chimie, cette matière se classe en plusieurs catégories selon sa composition. On la trouvera sous forme de corps pur (une pépite d’or, un clou en fer, une craie en carbonate de calcium, …) ou sous forme de mélange (les alliages comme le bronze, la mayonnaise, un pot de peinture, …). Un corps pur est constitué d’une seule substance chimique identifiée par sa formule chimique.

Un mélange est un ensemble formé de deux ou plusieurs corps purs, chacun des constituants conservant ses propriétés de départ.

Scientifiquement, un mélange est dit homogène s’il possède les mêmes propriétés en tout point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme homogène si ses constituants ne sont pas visibles à l’œil nu (ou au microscope optique).

Scientifiquement, un mélange est dit hétérogène s’il ne possède pas les mêmes propriétés en tout point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme hétérogène si ses constituants sont visibles à l’œil nu (ou au microscope optique).

2.2. Techniques de séparation

2.2.1. Techniques de séparation des constituants d’un mélange hétérogène

Il existe 3 méthodes de séparation des constituants d’un tel mélange : la filtration, la décantation et la centrifugation.

a) La filtration

Versons dans un filtre en papier un mélange hétérogène composé d’une phase liquide dans laquelle est dispersé un solide.

Le liquide qui traverse le filtre est appelé filtrat. Le filtrat est limpide c’est-à-dire parfaitement transparent, c’est un mélange homogène.

Un dépôt reste à l’intérieur du filtre.

Remarque

Afin d’accélérer et d’optimiser le processus, on peut filtrer sous vide.

Corps pur

Corps pur simple Corps pur composé

Corps pur simple élémentaire

Corps pur simple moléculaire

Corps pur composé minéral

Corps pur composé organique


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http://ghostyd.free.fr/ressources1ereS/R%C3%A9visions/m%C3%A9lange%20corps%20pur.jpg

b) La décantation

Si on laisse reposer un mélange hétérogène, les particules solides se déposent lentement au fond. En versant délicatement, on peut alors séparer le liquide

des autres particules.

L’utilisation d’une ampoule à décanter permet de séparer deux liquides non miscibles.

http://ghostyd.free.fr/ressources1ereS/R%C3%A9visions/m%C3%A9lange%20corps%20pur.jpg

Remarque

Afin d’optimiser le processus, on peut utiliser une autre technique : La centrifugation.

La centrifugation est un procédé de séparation des composés d'un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force « centrifuge ». Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides, soit de particules solides en suspension dans un fluide. L'appareil utilisé est une machine tournante à grande vitesse appelée centrifugeuse.

http://www.nordgenou.com/wordpress

2.2.2. Techniques de séparation des constituants d’un mélange homogène

Il existe 2 méthodes de séparation des constituants d’un tel mélange : la distillation et la chromatographie.

Par ailleurs, la distillation et la chromatographie permettent de s’assurer que l’on a à faire avec un corps pur. En effet, si ces opérations neconduisent pas à des constituants séparés, c’est bien que la substance de départ était un corps pur.

a) La distillation

La distillation d’un jus de fruit homogène, de vin, d’eau salée, … permet de séparer certains constituants du mélange homogène.

http://ghostyd.free.fr/ressources1ereS/R%C3%A9visions/m%C3%A9lange%20corps%20pur.jpghttp://www.nordgenou.com/wordpresshttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjB_vSLw7rJAhWGTBQKHXPgB1QQjRwIBw&url=http://www.hellopro.fr/centrifugations-de-laboratoire-1001494-fr-1-feuille.html&bvm=bv.108194040,d.d24&psig=AFQjCNHo7iOsmQC5DngykRdBb4Bv-d10Hg&ust=1449054553565527https://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiHze-xw7rJAhWKtxQKHcoaAkUQjRwIBw&url=http://www.nordgenou.com/wordpress/tendinopathie-et-tendinites/tendinites/&bvm=bv.108194040,d.d24&psig=AFQjCNHo7iOsmQC5DngykRdBb4Bv-d10Hg&ust=1449054553565527


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Il existe deux types de distillation :

- la distillation simple

http://tpebdmw.e-monsite.com/pages/ii-les-atouts-et-les-limites/la-distillation.html

La distillation est un procédé de séparation de mélanges de substances liquides dont les températures d'ébullition sont différentes. Sous l'effet de la chaleur ou d'une faible pression, les substances se vaporisent successivement, et la vapeur obtenue est liquéfiée pour donner le distillat.

Le procédé utilise la différence de volatilité1 des constituants afin de les séparer : le composé le plus volatil se vaporisera plus facilement et composera la majeure partie des vapeurs. Il est ainsi possible de créer une phase gazeuse ayant une composition différente du mélange initial. Par condensation de ces vapeurs, un liquide appelé distillat peut être récupéré avec une concentration élevée du composé le plus volatil.

Le distillat n'est pas un produit pur : il contient une certaine proportion des autres composés du mélange initial. Il faut dès lors répéter l'opération de vaporisation-condensation avec le distillat afin de concentrer davantage le composé le plus volatil. Pour ne pas répéter l'opération, et séparer proprement les composants du mélange en une seule passe, on utilise une colonne de distillation et ce procédé se nomme distillation fractionnée ou rectification.

1 La volatilité d’une substance est sa capacité à se vaporiser : ce changement d’état a lieu, pour chaque substance, à une température spécifique.

http://tpebdmw.e-monsite.com/pages/ii-les-atouts-et-les-limites/la-distillation.htmlhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwi-jOrexbrJAhXB7xQKHYppDmcQjRwIBw&url=http://tpebdmw.e-monsite.com/pages/ii-les-atouts-et-les-limites/la-distillation.html&bvm=bv.108194040,d.d24&psig=AFQjCNFnamjbvSpdK_1ZY9EzT9Ckih_efg&ust=1449055265594373


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- la distillation fractionnée

http://tpe2012leparfum.e-monsite.com/pages/experience-de-distillation-fractionnee.html

La distillation est une technique très ancienne qui se pratiquait dans des alambics. On l’utilise pour obtenir de l’eau de vie à partir du vin, pour obtenir des huiles essentielles, pour raffiner le pétrole, pour dessaler l’eau de mer, …

b) La chromatographie

Une chromatographie permet la séparation (chromatographie préparative) et/ou l’identification d’espèces chimiques (chromatographie analytique).

Ce terme « chromatographie » provient de la méthode originale de séparation mise au point en 1906 par un botaniste russe, Mikhail Tswett. Cette méthode lui a permis de séparer une solution de chlorophylle en diverses bandes colorées (chroma signifie couleur, en grec).

Le principe de cette méthode est le suivant : un mélange homogène est entraîné par une substance liquide ou gazeuse (dite phase mobile ou éluant) à travers une substance (dit phase stationnaire ou phase fixe). La phase stationnaire, fixée soit sur la surface intérieure d'une colonne soit sur une surface plane, retient plus ou moins fortement les constituants du mélange.

Les différents composants de l'échantillon ont généralement une vitesse caractéristique qui permet de les séparer, voire de les identifier. Cette vitesse de séparation est fortement dépendante de la nature de la phase mobile et de la phase stationnaire.

Souvent, l'échantillon est analysé par comparaison avec des substances déjà connues dans l'échantillon ou par comparaison avec les résultats de l'analyse d'une solution-étalon (solution commerciale contenant des substances connues, à des concentrations bien connues). Ces substances servent de références et permettent d'identifier ou de doser chaque espèce par comparaison des vitesses de séparation (et éventuellement d'autres renseignements donnés par la détection).

Il existe différents types de chromatographie

Dans le cadre de ce cours de 3e année, on parlera de la chromatographie sur couche mince (CCM, en anglais TLC pour Thin layer chromatography). C’est une technique de chromatographie réalisée sur un support plat dont la phase mobile est liquide.

http://tpe2012leparfum.e-monsite.com/pages/experience-de-distillation-fractionnee.htmlhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiV3Iq5yLrJAhVFwxQKHZG8CxgQjRwIBw&url=http://tpe2012leparfum.e-monsite.com/pages/experience-de-distillation-fractionnee.html&psig=AFQjCNEM0PPmZ0f6o5PGg6EjohULxjwb_A&ust=1449055998512998


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La chromatographie sur couche mince comprend :

• une phase stationnaire, c’est une couche mince de matériel absorbant (usuellement du gel de silice, de l'oxyde d'aluminium ou de la cellulose) ;

• une phase mobile, c’est un solvant ou un mélange de solvants qui va entraîner les composés et les séparer le long de la phase stationnaire ;

• une plaque de CCM est un support en verre, en aluminium ou en plastique sur lequel a été étalée une phase stationnaire en couche uniforme.

Les différents constituants, séparés par la CCM, sont détectés par diverses méthodes : soit ils sont colorés et sont visibles comme tels, soit ils sont fluorescents

et sont révélés par une lampe UV, soit encore ils peuvent être révélés par la vaporisation sur la CCM d’un colorant adéquat qui s’adsorbe sur les molécules. Chaque méthode est propre à la composition des constituants.

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp22.html

2.3. Solution, soluté, solvant

Une solution est le mélange homogène obtenu par dissolution d’une substance2, appelée soluté dans une autre, appelée solvant. Généralement, le solvant utilisé est l’eau : on parle alors de solution aqueuse.

Le soluté est la substance qui se dissout.

Le solvant est la substance qui dissout.

2.4. Concentration massique

La concentration massique d’une solution est la masse m de soluté dissoute dans un volume V de solution. Cette grandeur physique, notée γ, est une grandeur caractéristique d’une solution donnée : si l’on verse un peu de cette solution dans deux récipients différents, la concentration massique de la solution n’aura pas varié.

γ = m/V

Unité généralement utilisée en chimie : g/L (unité SI : kg/m3)

Pour faire varier la concentration massique d’une solution, il y a trois possibilités :

• par dissolution : augmenter la masse de soluté (on considère généralement que, dans ce cas, le volume de la solution ne varie pas) et la concentration massique de la solution augmente;

par dilution : augmenter le volume de solvant (d’eau) et la concentration massique de la solution diminue.

par évaporation : diminuer la quantité de solvant et la concentration massique augmente.

Exemples de solutions aqueuses utilisées dans la vie quotidienne :

L’eau minérale, l’esprit de sel, l’eau de Javel, …

2 On peut considérer les termes « corps pur » et « substance » comme synonymes. Le terme « produit chimique » est à éviter en raison de l’ambiguïté lorsque l’on parlera de réaction chimique et que l’on identifiera des substances comme réactifs et d’autres comme produits.

http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp22.htmlhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiq2KKhzLrJAhXJbRQKHaySApAQjRwIBw&url=http://www.snv.jussieu.fr/bmedia/Photosynthese/exp22.html&psig=AFQjCNEJ0s8GYxpD6HhEpQTuSWH6t4guxQ&ust=1449056942164206


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La valeur de la concentration s’exprime dans des unités différentes en fonction du soluté. On parlera de degré alcoolique pour les boissons alcoolisées, de titre pondéral pour l’esprit de sel, de degré chlorométrique pour l’eau de javel, … Ces différentes façons de quantifier les caractéristiques d’une solution seront vues dans les années suivantes en fonction des notions auxquelles elles se rapportent.

2.5. Erreurs associées à une mesure3

Comment diminuer les incertitudes sur le résultat d’une mesure ?

Par exemple, en choisissant du matériel de qualité, bien étalonné, adapté à la mesure. En respectant les consignes d’utilisation du matériel, en effectuant les mesures avec soin. L’impact des erreurs accidentelles est atténué en effectuant plusieurs fois la mesure.

La précision de la mesure dépendra du matériel utilisé.

Quelle verrerie pour quoi faire? (la verrerie de précision)

Un certain nombre d’ustensiles de verrerie de précision permettent de prélever, préparer ou délivrer un volume précis de liquide.

• la fiole jaugée: elle est utilisée pour préparer un volume précis de solution, par dissolution d’un solide ou par dilution. Le volume d’une fiole est fixé. Celui-ci est indiqué par un trait gravé sur la fiole que l’on appelle « trait de jauge ». Il existe une large gamme de volumes, du mL à plusieurs litres. Le volume de la fiole est indiqué dessus, ainsi que la précision associée (en mL). Il existe des fioles jaugées de catégorie A et B, les fioles de catégorie A étant plus précises que celles de catégorie B.

Pour compléter le volume de solvant, attention à bien placer son œil face au trait de jauge (pour éviter toute erreur de parallaxe), et à ajouter le solvant jusqu’à ce que le bas du ménisque soit au niveau du trait. Il existe différents types de fioles, « In » (le volume garanti est le volume contenu dans la fiole) et « Out » (le volume garanti est le volume délivré par la fiole). Les fioles jaugées couramment utilisées sont « In » car le volume garanti est le volume contenu dans la fiole: lorsqu’on complète au trait de jauge, on a le volume indiqué dans la fiole; mais si l’on transvase, quelques gouttes restent dans la fiole et le volume sortant est ainsi plus faible. Si on souhaite réaliser un dosage de l’ensemble du contenu de la fiole, il est ainsi important de rincer à l’eau distillée et d’ajouter cette eau de rinçage au liquide à doser.

3 Voir notre document complet consacré aux erreurs de mesure : http://enseignement.catholique.be/fesec/secteurs/sciences/?p=6021

http://lewebpedagogique.com/sciencesnomades/2009/03/11/quelle-verrerie-pour-quoi-faire-verrerie-de-precision/http://enseignement.catholique.be/fesec/secteurs/sciences/?p=6021http://lewebpedagogique.com/sciencesnomades/files/2009/03/fiole_jaugee21.jpg


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• la pipette graduée: une pipette graduée permet de prélever un volume variable de solution. Les graduations permettent de prélever tout volume compris entre 0 mL et le volume correspondant à la graduation maximum. Elle s’utilise à l’aide d’une propipette ou poire à pipeter.

Les pipettes graduées sont de classe A ou B, la classe ainsi que la précision (en mL) sont indiquées sur la pipette.

Lors du prélèvement, il faut placer l’œil au niveau de la graduation à atteindre et ajuster le bas du ménisque à la graduation (voir schéma ci-dessus).

Lorsque l’on délivre le volume, il est important de placer l’orifice de la pipette au contact du récipient (souvent un bécher ou un erlenmeyer), pour éviter qu’une goutte ne reste « suspendue » à la pipette. En procédant de la sorte, même en la vidant au maximum, il reste un peu de liquide dans la pipette: pas de souci, ce volume est prévu, c’est donc normal! Il existe des pipettes « In » et « Out ». La plupart des pipettes sont « Out », le volume sortant est égal au volume indiqué par la graduation au cours du prélèvement.

• la burette graduée: c’est un tube gradué équipé d’un robinet. Elle sert à délivrer un volume impossible à déterminer par avance, inférieur à la capacité maximale de la burette (qui varie de 5 mL à 100mL).

La lecture des volumes se fait comme précédemment, toujours avec le bas du ménisque au niveau de la graduation. Comment utiliser la burette ?

Avant utilisation, on la rince avec le liquide qui la remplira. On remplit alors la burette. Si une bulle d’air est coincée en bas de la burette, actionner rapidement le robinet pour l’évacuer. Après cette vérification, ajuster au zéro (graduation la plus haute).

Pour verser le liquide, on actionne le robinet en le fermant de temps à autre pour laisser le temps au liquide de descendre le long des parois de la burette. Pour une utilisation plus précise, une manipulation soigneuse permet de verser au goutte à goutte jusqu’au volume voulu. Le volume versé peut alors être lu directement, la burette étant graduée par volumes croissants de haut en bas.

Incertitudes absolues sur les pipettes et les jaugés Elles dépendent du volume et de la classe de la pipette ou du jaugé utilisé et sont généralement indiquées sur la verrerie. Quelques exemples sont donnés dans le tableau ci-dessous.

http://lewebpedagogique.com/sciencesnomades/files/2009/03/pipette_graduee1.jpghttp://lewebpedagogique.com/sciencesnomades/files/2009/03/burette1.jpg


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2.6. Notion d’élément

La notion d’élément renvoie au niveau macroscopique et au niveau microscopique.

Un élément est une collection d’entités qui ont toutes le même nombre de protons.

• Au niveau macroscopique, c’est une substance chimique pure composée d’atomes ayant le même nombre de protons dans le noyau atomique.

• Au niveau microscopique, c’est une sorte d’atome : tous les atomes qui ont le même nombre de protons au sein du noyau atomique sont le même élément. C’est dans ce sens que les chimistes parlent du tableau périodique des éléments.

3. Objets microscopiques

3.1. Molécules et atomes

Une molécule est l’espèce chimique que l’on obtient à la limite de partage d’une substance. Une molécule a des propriétés propres (par exemple liées à sa forme ou à sa composition).

Une molécule a généralement une dimension ultra petite, de l’ordre de 10-9 m : il faut toujours se rappeler que, dans 18 g d’eau, il y a environ 6.1023 molécules d’eau !

Dans le cadre du cours de chimie en troisième année, une molécule se définit comme un assemblage électriquement neutre d’atomes maintenus ensemble par une force que les chimistes appellent liaison chimique.

Dans les manuels, on trouve d’autres définitions de la molécule :

- corpuscule obtenu à la limite de partage d’un corps - association d’atomes - la plus petite entité d’une substance possédant des propriétés qui seront responsables des

caractéristiques de cette substance

L'assemblage d'atomes constituant une molécule n'est pas définitif, il est susceptible de subir des modifications, c’est-à-dire de se transformer en une ou plusieurs autres molécules ; une telle transformation est appelée réaction chimique. En revanche, les atomes qui la constituent sont beaucoup plus stables, ils se conservent durant une réaction chimique car la transformation d'atomes, appelée transmutation, nécessite des apports d'énergie beaucoup plus importants faisant l'objet des réactions nucléaires.

Un corps pur est une matière formée soit de molécules identiques, soit d’atomes identiques, un mélange est une matière formée de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses distinctes (qui n’interagissent pas chimiquement). Les éléments mélangés peuvent être séparés par l’action d’un procédé physique (filtration, décantation ou centrifugation, distillation, chromatographie).

Un corps pur simple est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées d’un seul type d’atome. Il peut être :

- élémentaire, c’est-à-dire que ses atomes ne forment pas de molécules (exemple : le fer, Fe)

- moléculaire (exemple : le dihydrogène, H2).

Un corps pur composé est un corps pur dont les molécules constituantes sont composées de deux ou plusieurs types d’atomes. Généralement, on classe les corps purs composés en corps minéraux (eau, acides, bases ou hydroxydes, oxydes et sels) et en corps organiques.

Un atome est l’espèce chimique composant la molécule. Bien entendu, un atome est encore plus petit qu’une molécule : sa dimension est de l’ordre de l’Å (angström), soit 10-10 m.

Depuis quelques années, il est possible de mesurer la taille d’un atome, ou de compter leur nombre dans un échantillon grâce à la microscopie à effet tunnel (voir annexe 2).


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Depuis très longtemps, l’être humain tente de savoir de quoi est constituée la matière. Ce qui l’a conduit à chercher de quoi est constitué un atome. Les scientifiques ont alors élaboré des modèles4 de l’atome qui ont beaucoup évolué en fonction du contexte historique et des développements technologiques (voir annexe 1).

Dans le tableau périodique des éléments, sont répertoriés les atomes existant dans l’Univers. Cependant, certains ont une durée de vie très limitée. Celle-ci dépend des conditions dans lesquelles se trouvent les atomes. Ainsi, sur Terre, beaucoup ne sont pas stables et ils ont réagi avec l’eau ou le dioxygène par exemple.

Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou des électron(s). Dans le cas d’un gain d’électrons, l’ion est négatif, c’est un anion. Dans le cas d’une perte d’électrons, l’ion est positif, c’est un cation.

3.2. Caractéristiques de l’atome

Chaque atome, entité électriquement neutre, est caractérisé par :

un nombre atomique, noté Z, qui correspond au nombre de protons de son noyau (c’est aussi le numéro d’ordre de l’atome dans le tableau périodique) ;

une masse atomique relative, notée Ar, qui est le rapport entre la masse de cet atome et la masse d’un autre atome (à ce niveau, on citera l’atome d’hydrogène), choisie comme référence5. C’est le rapport de deux grandeurs (deux masses) de même unité : c’est donc un nombre qui n’a pas d’unité ;

http://rihetperez.free.fr/dmenu3.html

Comme l’atome est une entité électriquement neutre, le nombre d’électrons est égal à celui des protons (Z).

Fiche d’identité des particules de l’atome

Situation Nom Symbole Masse Charge électrique

noyau

proton

p+

≈ 10-27 kg = 1 U.M.A.

+ 1,6.10-19 C

noyau

neutron

no

≈ 10-27 kg = 1 U.M.A

0 C

nuage électronique

électron

e-

≈ 10-30 kg = 0 U.M.A

- 1,6.10-19 C

4 Un modèle est une représentation simplifiée d’un objet, d’un phénomène ou d’un processus. En fonction de l’objectif poursuivi, le scientifique décide quelles caractéristiques il va négliger pour construire son modèle. Un modèle peut être descriptif, explicatif ou prédictif.

5 A ce niveau, la masse atomique relative est souvent arrondie à l’unité : on désigne alors cette grandeur comme étant le nombre de masse A, qui est en fait la somme du nombre de protons et de neutrons du noyau.

http://rihetperez.free.fr/dmenu3.htmlhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCPH824C34sgCFcdaGgodPY4JpA&url=http://rihetperez.free.fr/dmenu3.html&psig=AFQjCNGqQywgW5OhktdkpY92jtYeUlj9Tw&ust=1446027640261077


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Les électrons ont une masse négligeable par rapport aux protons et aux neutrons (qui, eux, ont une masse quasi-identique). La masse de l’atome est donc celle du noyau composé de protons (Z) et de neutrons (dont le nombre dépend de l’isotope6). Si on arrondit la masse atomique relative donnée dans le tableau périodique, on obtient la masse relative de l’isotope le plus abondant (et donc le plus stable). Pour connaître le nombre de neutrons dans le noyau de cet isotope, on fait la différence :

Ar – Z.

une valence (voir UAA2), qui correspond au nombre d’atomes d’hydrogène auquel cet atome peut se lier (on désigne la valence par un chiffre romain);

une électronégativité, notée ε, qui correspond à la capacité de cet atome d’attirer des électrons. L’électronégativité est un nombre compris entre 0 et 4 (valeur donnée à l’atome le plus électronégatif, le fluor).

Plus le chiffre est grand et plus l'élément attire les électrons. Les éléments qui attirent les électrons sont des éléments électronégatifs. Ce sont les non métaux.

Plus le chiffre est petit et moins l'élément "aime" les électrons. Les éléments qui ont tendance à perdre leurs électrons sont des éléments électropositifs. Ce sont les métaux.

3.3. Ecriture symbolique des atomes et des molécules

Les atomes sont désignés par une lettre majuscule (C pour le carbone, par exemple) ou par une lettre majuscule suivie d’une minuscule (Ca, pour le calcium par exemple).

Les molécules, étant constituées d’atomes, sont désignées par la suite des symboles des atomes dont elles sont constituées. Les atomes sont généralement placés dans l’ordre des électronégativités croissantes7.

• Quand une molécule contient plusieurs atomes identiques, le nombre de ces atomes est désigné par un indice : par exemple, la molécule de CaCl2 contient 1 atome de calcium et 2 atomes de chlore.

• Quand une molécule contient plusieurs fois un groupement d’atomes identiques, ce groupement est placé entre parenthèses auxquelles on ajoute un indice pour désigner le nombre de groupements : par exemple, la molécule Ca3(PO4)2 contient 3 atomes de calcium et 2 groupements phosphate.

• Quand on souhaite mentionner plusieurs molécules, leur nombre est désigné par un coefficient, placé devant le symbole de la molécule : par exemple 2 KOH désigne 2 molécules de KOH.

Les ions sont porteurs d’une charge électrique. Celle-ci est désignée par un exposant placé en haut à droite du symbole de l’atome dont est issu l’ion : par exemple, l’ion Mg2+ est l’ion magnésium porteur d’une double charge électrique positive8.

Remarque

Il peut arriver que l’on souhaite indiquer, pour un atome déterminé, son nombre atomique Z et son nombre de masse A. Ceux-ci seront placés avant le symbole de l’atome, respectivement en exposant et en indice : par exemple 612C désigne l’atome de carbone de nombre atomique égal à 6 et de nombre de masse égal à 12. A noter, que lorsqu’on parle d’isotope, la convention d’écriture est inverse (par exemple, les isotopes 12C et 14C).

3.4. Les isotopes

L’étymologie du mot vient du grec et signifie « même lieu ».

Les isotopes d’un élément sont les atomes qui possèdent le même nombre de protons mais dont le nombre de neutrons varie. Leur masse est donc différente. Ils occupent la même case dans le tableau périodique. Dans ce tableau, la masse atomique relative correspond à la moyenne pondérée en fonction

6 Des isotopes sont des atomes d’un même élément (même nombre de protons) mais qui diffèrent par le nombre de neutrons dans le noyau et donc par leur masse.

7 Il existe quelques exceptions comme NH3 ou OH-

8 A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple.


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de l’abondance de tous les isotopes de l'élément. Les propriétés chimiques des isotopes d’un même élément sont identiques puisqu’ils contiennent tous le même nombre de protons et d’électrons.

Exemples

L’élément hydrogène se répartit entre 3 isotopes. L’1H, isotope le plus abondant, 2H, l'autre isotope stable de l'hydrogène, connu sous le nom de deutérium possède un noyau constitué d'un proton et d'un neutron. L'abondance atomique sur Terre du deutérium est comprise entre 0,0026 et 0,0184 %, le nombre le plus bas correspondant au nombre trouvé dans le dihydrogène gazeux, le plus élevé dans un environnement enrichi (0,015 % ou 150 ppm) comme l'eau de mer.

Le deutérium n'est pas radioactif et ne représente pas un danger significatif en termes de toxicité. L'eau enrichie en molécules contenant du deutérium à la place d'atomes « normaux » d'hydrogène est appelée eau lourde. Le deutérium et ses composés sont utilisés comme marqueurs non radioactifs dans des expériences de chimie et comme solvants pour la spectroscopie RMN du proton. L'eau lourde est, elle, utilisée comme modérateur de neutrons et liquide de refroidissement dans les réacteurs nucléaires. Le deutérium est aussi un possible combustible dans le cadre de la fusion nucléaire. 3H, connu sous le nom de tritium, possède un noyau constitué d'un proton et de deux neutrons. C'est un élément radioactif qui se désintègre en hélium 3 par désintégration β- avec une demi-vie de 12,32 ans. De petites quantités de tritium sont naturellement présentes à cause de l'interaction entre les rayons cosmiques et les gaz atmosphériques.

https://www.lachimie.net/index.php?page=25#.Wb-OnLpuKAg , consulté le 18 septembre 2017

Les isotopes du carbone. Il existe 3 isotopes pour le carbone : 12C, 13C, 14C, respectivement avec un noyau composé de 6 neutrons, 7 neutrons et 8 neutrons.

https://www.lachimie.net/index.php?page=25#.Wb-OnLpuKAg, consulté le 18septembre 2017

Un des isotopes du carbone est particulièrement célèbre ! Il s’agit du carbone "14". Il s'agit d'un isotope du carbone dont le noyau est composé de 14 nucléons : 6 protons et 8 neutrons. Cet isotope du carbone n'est pas stable dans le temps. Il est radioactif. C'est à dire qu'il se désintègre petit à petit en émettant des radiations. Mais il a les mêmes propriétés chimiques que le carbone 12 (l'isotope le plus courant du carbone), même s'il est un peu plus lourd. Donc le carbone 14 peut entrer dans la composition de n'importe quel être vivant.

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Les scientifiques ont déterminé un temps de demi-vie (appelé la période radioactive) pour le carbone 14. C'est le temps que met une masse de carbone 14 pour être désintégrée en azote et réduite de moitié. Le temps de demi-vie du 14C est de 5580 ans avec une marge d'erreur de +/- 30 ans, donc si l'on stocke 60 g de cet isotope radioactif, après 5580 ans, il n'en restera plus que 30 g, le reste s'étant désintégré en atomes d'azote et en électrons. Le carbone et ses différents isotopes sont naturellement présents dans l'atmosphère et sont captés par les organismes qui les stockent durant toute leur vie. Une fois l'organisme mort, les quantités de carbone accumulées ne sont plus renouvelées et l'isotope 14 du carbone se désintègre sans être remplacé.

En mesurant le rapport 14C/Ctotal d'un échantillon (Ctotal = 12C + 13C + 14C), on peut déterminer l'âge de celui-ci. Ainsi, un rapport de 1% correspond à environ 80 ans.

Quelques limites à la datation au carbone 14.

• On ne peut dater que des objets ou échantillons contenant du carbone.

• Après 8 périodes radioactives (8 temps de demi-vie), le taux de 14C n'est plus que de 0,4% du nombre de 14C de départ, on ne peut donc dater des objets que de maximum 46 000 ans.

• La mesure se base sur le rapport 14C/Ctotal des échantillons, Or, on ne peut être sûr que la concentration de 14C ait été stable dans l'atmosphère sur plusieurs siècles. On se base dans la méthode de datation sur un rapport déterminé pour le XVIIIe siècle.

Exemple de datation au carbone 14.

• Datation des objets retrouvés dans les grottes de Lascaux (hommes préhistoriques)

• Datation d'objets provenant de tombeaux égyptiens

• Datation de documents papiers (le papier est réalisé à partir de végétaux)

Cette méthode de datation a été développée en 1948 par Libby Frank Wilard afin de dater des objets en bois issus d'un tombeau égyptien. Ses travaux sur le 14C lui ont valu le prix Nobel en chimie.

4. Tableau périodique des éléments chimiques

Dès le début du 19e siècle, la nécessité de pouvoir classer les éléments chimiques apparait car ceux-ci deviennent de plus en plus nombreux. La découverte de nouvelles substances et de nouveaux éléments pousse les scientifiques à essayer de les regrouper.

Les chimistes arrivent à mettre en évidence que toutes les substances contiennent un nombre restreint d'éléments chimiques, qui servent de briques de constructions pour élaborer ces substances.

Julius Lothar Meyer (1830 – 1895) est l'un des premiers à proposer un système de classification en 1864. Il a classé les éléments en les regroupant selon le nombre maximum de liaison que chaque élément peut réaliser.

Dimitri Mendeleïv (1834 – 1907) tenta de classer les éléments selon certaines de leurs propriétés physiques. Il a observé que les propriétés réapparaissaient de façon périodique lorsqu'il classait les éléments par masse croissante. A chaque retour d'une propriété, Mendeleïev indiquait celui-ci dans une autre ligne d'un tableau.

La première version du tableau périodique qu'il proposa comportait 5 colonnes et 18 lignes (son tableau était vertical par rapport à la version moderne). Son génie fut de laisser des cases vides dans son tableau lorsqu'un élément ne présentait pas les propriétés attendues. Il prédit ainsi l'existence d'éléments alors inconnus ayant des propriétés semblables aux autres de leur groupe.


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En 1913, la classification des éléments évolua pour la dernière fois. On s'aperçut que si l'on tient compte des propriétés chimiques des éléments naturels, les éléments ne doivent pas être classés selon leurs masses atomiques mais selon leurs numéros atomiques (nombre de protons de l'élément). C'est donc le nombre de protons qui détermine la nature de l'élément et une partie de ses propriétés.

Source de l’illustration : http://www.takween.com/molecules-organiques-minerales.html (page consultée le 02/11/2015)

4.1. Structure générale du tableau périodique des éléments

Ce tableau est composé de 18 colonnes numérotées de 1 à 18. (Un ancien système de notation est encore d'usage utilisant les chiffres romains et les lettres a et b). Chaque colonne correspond à une famille d'éléments présentés dans des cases. Un nom est attribué à certains groupes (famille). Les éléments d'une même colonne ont tendance à avoir le même type de comportement (de réactivité).

o groupe 1 (Ia) : Alcalins

o groupe 2 (IIa) : Alcalino-terreux

o groupe 13 (IIIa) : Terreux

o groupe 14 (IVa) : Carbonides

o groupe 15 (Va) : Azotides

o groupe 16 (VIa) : Sulfurides

o groupe 17 (VIIa) : Halogènes

o groupe 18 (VIIIa ou 0) : Gaz rares (ou Gaz nobles ou Gaz inertes)

Le tableau se compose horizontalement de 7 lignes. Elles sont appelées périodes et correspondent aux différentes couches électroniques présentées dans le modèle atomique de Bohr. Les périodes n'ont pas de nom spécifique, mise à part une portion de la période 6 (éléments 57 à 71) qui porte le nom de Lanthanides (nom tiré du premier élément de cette série) et les éléments 89 à 103 de la période 7 appelés Actinides (pour les mêmes raisons).

Il est intéressant de comparer les masses volumiques, points de fusion et d'ébullition des différents éléments afin de se rendre compte de la réelle évolution périodique des propriétés. Nous pouvons alors mettre en évidence la grande ingéniosité du système de classement choisi !

http://www.takween.com/molecules-organiques-minerales.htmlhttps://www.google.be/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCP2S6cmI8sgCFcs5GgodrQsK2A&url=http://www.takween.com/molecules-organiques-minerales.html&psig=AFQjCNFJSI05Shkd8EqQM1-fwvm3zbdSeA&ust=1446564877421264


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4.2. Les corps métalliques et les corps non métalliques dans le tableau périodique

Les éléments contenus dans une colonne de la classification périodique ont des propriétés chimiques semblables. Les éléments de chaque colonne forment un groupe.

L’hydrogène H dont la structure est très simple (1 proton et 1 électron) se place à part. De même, on distingue les gaz rares qui forment la dix-huitième colonne. Les autres éléments se différencient en métaux et non métaux.

Les métaux sont des éléments qui engendrent facilement des cations, en perdant un ou des électrons.

Les non-métaux sont des éléments qui forment facilement des anions, en gagnant un ou des électrons.

4.2.1. Les métaux

On peut voir un métal comme un arrangement de cations maintenus ensemble par une « mer » d’électrons mobiles. Cela explique que les métaux conduisent l’électricité parce que les électrons peuvent se déplacer sous l’action d’une différence de potentiel.

En revanche, les non-métaux formant des solides covalents sont des isolants parce que leurs électrons sont confinés dans les atomes et les molécules individuelles.

L’éclat caractéristique des métaux est dû également à la mobilité des électrons. Lorsqu’une onde lumineuse frappe la surface d’un métal, elle déplace les électrons mobiles. Ces électrons oscillants émettent de la lumière, que nous voyons comme un éclat et qui est essentiellement une réémission de la lumière incidente. C’est pourquoi l’image dans un miroir – une fine couche métallique sur du verre – est un portrait fidèle de l’objet reflété.

La mobilité des électrons explique aussi la malléabilité d’un métal, son aptitude à être mis en forme par martelage, et sa ductilité, son aptitude à être étiré en fils. Comme les cations sont entourés par une mer d’électrons, les liaisons sont très peu directionnelles. Il en résulte qu’un cation peut être déplacé par rapport à ses voisins sans trop d’effort. Le choc d’un marteau peut déplacer de nombreux cations. La mer d’électrons s’ajuste immédiatement pour faire en sorte que les atomes ne soient pas expulsés mais restent liés dans leur nouvelle position. Les métaux sont plus malléables que les autres solides : lorsque des groupes d’atomes sont déplacés, la mer d’électrons les suit.

A. Le groupe des métaux alcalins (colonne 1)

A l’exception de l’hydrogène, les éléments de la première colonne – lithium Li, sodium Na, potassium K, rubidium Rb et cérium Ce (le francium Fr est un métal peu abondant et radioactif) – sont des corps mous, légers et très facilement fusibles. Ils sont très réactifs chimiquement, ils sont oxydés par l’oxygène de l’air pour engendrer des oxydes Li2O, Na2O, K2O, ….

Ils réagissent tous avec l’eau, à la température ordinaire, en formant du dihydrogène H2 et une solution à caractère basique. La réaction est lente avec le lithium, vive avec le potassium et surtout le sodium, explosive dans le cas du rubidium et du césium.

B. Le groupe des métaux alcalino-terreux (colonne 2)

Les alcalino-terreux sont le béryllium Be, le magnésium Mg, le calcium Ca, le strontium Sr et le baryum Ba (le radium Ra est un élément peu abondant et radioactif). Très réactifs chimiquement, ils ont des propriétés voisines de celles des alcalins. Ils s’oxydent facilement, donnant des oxydes MgO (magnésie), CaO (chaux vive), BaO… Ils réagissent avec l’eau, moins vivement que les alcalins (le calcium est celui qui réagit le plus vivement).


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4.2.2. Les non-métaux

Les non-métaux forment des oxydes acides.

Cette série comprend l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre et le sélénium. Les propriétés physiques des non métaux les différencient nettement des métaux : une densité, des températures de changement d'état, des conductivités électrique et thermique plus faibles que celles des métaux. Ils se caractérisent aussi par une forte électronégativité et une absence de malléabilité et de ductilité à l'état solide.

http://lachimie.net/fiches/lachimie.net.metauxetnonmetaux.pdf

Les propriétés physiques et chimiques particulières à chaque élément chimique constitutif d’un objet ou d’une substance déterminent l’utilisation que l’on en fait.

4.2.3. Les gaz nobles

On appelle gaz nobles, les éléments chimiques du groupe 18 (anciennement « groupe VIIIA », voire « groupe 0 ») du tableau périodique des éléments.

Les six gaz nobles naturels sont l'hélium (He), le néon (Ne), l'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe) et le radon (Rn), ce dernier étant radioactif (avec une période radioactive de 3,8 jours).

Autrefois également appelés gaz inertes, cette appellation est tombée en désuétude depuis qu'on a synthétisé des centaines de composés du xénon.

La découverte des gaz nobles est bien postérieure à celle du tableau de Mendeleïev. Jusqu'à la fin du XIXème siècle, pour les scientifiques, l'air était constitué uniquement d'azote et d'oxygène. C’est seulement en 1893 que le physicien anglais John William Strutt, lord Rayleigh (1842-1919) suspecta la présence d’un autre gaz dans un échantillon d’azote extrait de l’air et c’est au chimiste anglais, William Ramsay (1852-1916) que l'on doit d'avoir isolé les gaz nobles. À cause de l’inertie de ce gaz, Ramsay donna le nom d’argon au premier qu’il a découvert, du mot grec signifiant paresseux. En outre, il découvrit que le gaz résiduel était constitué de 5 composants. À côté de l’argon, il y avait aussi, mais en quantités beaucoup plus faibles, de l’hélium (soleil), du néon (nouveau), du krypton (caché) et du xénon (étrange). En 1904, pour ces découvertes, lord Rayleigh reçu le prix Nobel de physique et Ramsay, le prix Nobel de chimie.

Les gaz nobles forment une série chimique ayant des propriétés assez homogènes : aux conditions normales de température et de pression, ce sont des gaz monoatomiques incolores et inodores quasiment dépourvus de réactivité chimique (sauf pour le xénon), dont les points de fusion et d'ébullition sont séparés de moins de 10 °C à pression atmosphérique. Les gaz nobles ne sont liquides que dans une fourchette très étroite de températures.

Les gaz nobles forment une série chimique d'éléments a priori très peu réactifs car, ayant une couche de valence complète, ils n’ont aucun électron de valence pour former une liaison chimique. Il en découle que ces éléments ont une énergie d'ionisation élevée et une affinité électronique (électronégativité)

http://lachimie.net/fiches/lachimie.net.metauxetnonmetaux.pdf


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pratiquement nulle, et on a longtemps cru qu'ils ne pouvaient participer à aucune réaction chimique pour former des composés.

Les gaz nobles ont plusieurs applications technologiques importantes, dont l'éclairage, l'exploration spatiale, le travail en atmosphère inerte ; Ils sont couramment utilisés en chimie lorsqu'on veut travailler sous atmosphère inerte, la plongée sous-marine : Les plongeurs utilisent un mélange d'oxygène et d'hélium afin de prévenir l'hyperoxie et la narcose à l'azote au-delà de 55 m de profondeur, l'hélium est utilisé dans les ballons à gaz (dirigeables, sondes atmosphériques, etc.).

Couleurs produites par les différents gaz nobles dans les tubes fluorescents.

Hélium Néon Argon (avec du mercure). Krypton Xénon

https://fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_à_décharge , consulté le 18 septembre 2017

4.3. Le tableau périodique et le modèle de Bohr

Les relations entre la structure électronique et la classification des éléments apparaissent nettement. On pourrait presque dire que Mendeleïev avait prévu cette structure électronique. Il l’ignorait pourtant, mais il supposa, avec raison, que la périodicité dans les propriétés avait une origine dans la structure de l’atome. a) Dans une même famille, tous les atomes possèdent le même nombre d’électrons sur la dernière

couche. Ce nombre est le numéro de la colonne. L’expérience montre que les éléments d’une même colonne possèdent des propriétés voisines, sinon semblables.

b) On constate que dans la dernière colonne, la famille des gaz nobles, tous les éléments ont leur dernière couche électronique saturée. Or ces derniers ont une inertie chimique remarquable : pratiquement, ils ne donnent aucune combinaison avec un autre atome. Cela signifie que leur structure, où toutes les couches électroniques sont saturées, est particulièrement stable.

L’essentiel des propriétés chimiques des atomes dépend des électrons de la dernière couche et plus spécialement du nombre d’électrons qu’elle renferme. La stabilité chimique maximale est obtenue lorsque toutes les couches contenant des électrons sont saturées.

c) Chaque ligne (appelée période) correspond au remplissage progressif d’une couche électronique :

- première ligne : remplissage de la couche « K » ; - deuxième ligne : remplissage de la couche « L » ; - troisième ligne : remplissage partiel de la couche « M ». Ainsi, la première ligne ne referme que deux éléments : l’hydrogène et l’hélium (Z=1 et Z=2). Les autres lignes renferment un élément dans chaque colonne : il y a huit colonnes, parce que chaque couche électronique peut contenir huit électrons. La deuxième ligne renferme tous les éléments dont le numéro atomique varie depuis Z = 3 jusqu’à Z = 10, la troisième ligne, tous les éléments depuis Z = 11 jusqu’à Z = 18 ; et ainsi de suite …..

d) Au-delà du dix-huitième élément, le remplissage des couches est plus complexe, cela se traduit

par un nombre de colonnes supérieur à huit.

4.3.1. Structure électronique des atomes

On retiendra que les électrons se répartissent en « niveaux d’énergie » (couches électroniques). Les niveaux d’énergie (ou couches) sont désigné par les lettres K, L, M, N, O, P, Q. On peut donc définir un atome en donnant sa structure électronique.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Lampe_à_déchargehttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:HeTube.jpghttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:NeTube.jpghttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:ArTube.jpghttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:KrTube.jpghttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:XeTube.jpg


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Principe

- Les électrons occupent d’abord la « première » couche « K », la plus proche du noyau (cette couche peut contenir au plus 2 électrons).

- Lorsque la couche « K » est saturée, les électrons restants vont se placer sur la couche L, à concurrence de 8 électrons (capacité maximale de la couche L).

- Lorsque la couche « L » est saturée, les électrons restants vont ensuite remplir la couche « M » qui elle se saturera à 18 électrons …

Remarque : quand une couche atteint sa capacité maximale on dit qu’elle est « saturée ». Ainsi, l’atome d’oxygène (Z=8) a 8 électrons répartis sur 2 couches électroniques K2 ; L6 A partir du dix-huitième élément, la répartition est plus complexe. Les couches peuvent contenir plus de 8 électrons et des couches plus éloignées du noyau sont occupées alors que les couches de plus basse énergie ne sont pas saturées. Ainsi, l’atome de calcium (Z=20) a 20 électrons répartis sur 4 couches électroniques K2 ; L8 ; M8 ; N2. Le brome (Z=35) quant à lui a comme configuration électronique K2 ; L8 ; M18 ; N7.

4.3.2. Règle de l’octet

Au cours des réactions chimiques, les atomes tendent à acquérir la structure électronique du gaz noble de numéro atomique le plus proche, avec huit électrons sur la couche externe. La quantité d’énergie à fournir pour « extraire » un électron est fonction de son appartenance à la couche à laquelle il appartient. Ainsi pour arracher chaque électron d’une même couche, il faut fournir la même énergie. On dit que les électrons d’une couche ont le même niveau d’énergie. Les métaux alcalins donnent des ions comportant une seule charge élémentaire positive (par exemple, Na+). Les alcalino-terreux donnent des ions comportant deux charges élémentaires positives (par exemple, Mg2+). Les atomes de l’avant dernière colonne (les halogènes) ont tendance à donner des ions comportant une seule charge élémentaire négative (Cl-) et l’oxygène et le soufre donneront des anions 2 fois négatifs (S2-, O2-).

Remarque

Une solution ionique, aussi appelée électrolyte, est conductrice de l'électricité. La présence d'ions, chargés électriquement, assure le caractère conducteur de la solution. La mesure conductimétrique permet de mesurer les propriétés conductrices d'une telle solution.

En pratique, on détermine la conductance G d'une solution à l'aide d'une cellule de mesure constituée de deux plaques parallèles de surface immergée S et séparées d'une distance l.

La conductance mesure la facilité qu'a une solution à laisser passer le courant.

On note σ (sigma), la conductivité de la solution. Cette grandeur est caractéristique de la solution. Elle dépend :

• de la concentration des ions,

• de la nature de la solution ionique,

• de la température de la solution.

Un conductimètre, préalablement étalonné, permet d'afficher directement la valeur de la conductivité σ de la solution.

Les mesures de conductimétrie permettent de déterminer la concentration des ions contenus dans cette solution. Elles sont très utilisées en chimie pour :

• des dosages,

• des déterminations de cinétique chimique,


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• des déterminations de constantes d'équilibres thermodynamiques (produit de solubilité par exemple).

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Annexe 1. Les modèles de l’atome

Histoire du modèle atomique

De tout temps l'Homme s'est posé la question: mais de quoi est constituée la matière?

Pendant l’Antiquité

Thalès et Empédocle.

C'est vers 600 av. J.-C. que Thalès va poser les premières pierres d'une conceptualisation du monde, aujourd'hui vue comme farfelue, qui va tout de même vivre pas loin de 2500 ans. En se basant sur l'observation de la nature, il postule que celle-ci est composée d'objets, de corps, d'êtres vivants, mais que tout peut être ramené à quatre éléments premiers : l'eau, la terre, l'air et le feu. Cette croyance trouve une explication dans l'observation de la combustion d'un morceau de bois. Pendant la combustion (feu), il y a production de fumée (air), de vapeur d'eau (eau) et de cendre (terre). Démocrite (460-370).

Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente leur nom : « atomos » qui signifie en grec « qu’on ne peut pas couper ». Il pensait que les propriétés des objets étaient une conséquence directe de la forme des atomes ; ainsi, les atomes de citron devaient être pointus, les atomes de sucre ronds…

Pour lui, la matière était constituée de particules infiniment petites et indivisibles. Toute substance était faite de ces particules qui ne diffèrent que par leur forme, la nature de leur mouvement et leur taille relative. Entre ces particules existait un espace vide. La matière était donc discontinue.

Démocrite n'étant pas un philosophe très populaire en son temps, sa théorie ne trouva aucun appui et elle fût donc rejetée au profit d'une théorie de la continuité de la matière proposée par Aristote. Aristote (384-322)

Sa conception de la matière s'appuyait sur le concept des quatre éléments

de base de Thalès. Il affirmait que les atomes ne pouvaient exister puisque

invisibles à ses yeux. Aristote adopte l'idée d'Empédocle qui considère le

modèle continu de la matière. Il s'oppose à la théorie de Démocrite, car il

nie l'existence du vide associé à la discontinuité de la matière. Il évoque

aussi que l'air et le feu ne peuvent pas être composés de particules, car ces

deux substances s'élèvent dans le ciel et ne retombent pas au sol comme

tous les objets solides.

Aristote renforce la «théorie des quatre éléments» d'Empédocle en attribuant des qualités à chacun des quatre éléments fondamentaux : froid, sec, chaud et humide. Ces caractéristiques, accolées deux à deux, forment

ces éléments. Ceux-ci, à leur tour, composent l'Univers entier. Cette théorie parvient à expliquer plusieurs phénomènes physiques. De 450 av J.-C. jusqu'au XVIII° siècle. Théorie des quatre éléments La théorie proposée par Aristote classe la matière en 4 éléments : - le feu (chaud et sec) - l'air (chaud et humide)


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- l'eau (froid et humide) - la terre (froid et sec) Les transformations subies par la matière sont dues au passage d'un élément à un autre élément. Par exemple : la pluie est le passage de l'air à l'eau. Un morceau de bois qui brûle correspond au passage de la terre au feu. La fumée du feu à l'air, etc.

En résumé, la conception de la matière selon Aristote : • La matière est continue et uniforme (théorie de la continuité de la matière). • La matière est composée de quatre éléments : terre, air, eau, feu. • Les quatre caractéristiques fondamentales sont : froid, sec, chaud, humide. • Le vide n'existe pas. Le prestige d’ARISTOTE est tel qu’il faut attendre le début du XIXème siècle pour que l’idée atomiste reprenne vie.

Au Moyen Âge l'alchimie

Au Moyen Âge, l'alchimie, avait pour but essentiel la découverte d'une substance (la pierre philosophale) qui transformerait les métaux les plus communs en or, et sur les moyens permettant de prolonger la vie des hommes (panacée).

Le concept fondamental de l'alchimie dérivait de la doctrine aristotélicienne selon laquelle toute chose tend à atteindre la perfection. Les alchimistes pensaient que les métaux étaient moins «parfaits» que l'or. Il était donc raisonnable de supposer que la nature avait constitué l'or à part des autres métaux enfouis profondément sous terre, et qu'avec suffisamment de dextérité et d'assiduité, un artisan pourrait reproduire cette synthèse dans son atelier.

Aux quatre éléments d’Aristote les alchimistes ajoutent les “Principes” dont est composé toute matière, vivante ou non. • le soufre (actif, chaud, dur) associé au principe masculin • le mercure (passif, froid, malléable, volatil) associé au principe féminin • le sel qui unit le soufre et le mercure (empêche la putréfaction).

Pendant tout le Moyen-âge les progrès de la science furent plus techniques que théoriques grâce aux alchimistes (qui se basaient toujours sur la théorie d’Aristote). Voici les techniques qu’ils ont développées : - les techniques de métallurgie : fusion, alliage, - les techniques de purification : distillation, filtration, cristallisation, bain-marie, - la fabrication des premiers médicaments.


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DE LA RENAISSANCE A DALTON

Le XVIe siècle voit naître des courants rationnels qui se tournent vers une science plus tournée vers l’expérience. L'expérimentation et la présentation devant le Roi d'expériences simples devenaient à la mode. Van Helmont (1577 - 1644) suggère que la matière se compose de deux substances fondamentales, l’air et l’eau. Il est, avant Lavoisier, un partisan de l’utilisation de la balance. Il découvre certains gaz : le dioxyde de carbone, l’hydrogène. Les premières décennies du XVIIIème siècle voient apparaître la théorie du phlogistique conçue par le savant allemand, Joachim BECHER et son compatriote le médecin Georg Ernst STAHL(1660-1734). Le phlogistique est, en quelque sorte, à la fois la matière et le " principe " du feu, lequel était considéré comme une substance en soi. Ainsi, on croyait qu’un métal était un corps composé. Quand il brûlait (s’oxydait, dirions-nous aujourd’hui), on pensait qu’il abandonnait une partie de lui-même - celle qui brûlait- qui était le " principe combustible " ou " phlogistique " en donnant ce qu’on nommait alors de la " chaux " (c’est-à-dire un oxyde). A l’inverse, pour obtenir du métal à partir d’une " chaux ", on admettait qu’il suffisait de lui ajouter un corps riche en phlogistique (du carbone par exemple).

Métal →calcination →chaux métallique + phlogistique Métal ← addition de charbon ← chaux métallique + phlogistique

La théorie de Stahl a l'avantage de rendre compte non seulement des phénomènes de combustion, de calcination, de réduction des métaux, de solution des métaux par les acides et même de la respiration des êtres vivants. Mais son défaut majeur est d'être purement qualitative et non quantitative. Si calciner revient à faire sortir le phlogistique contenu dans un métal, on devrait observer une diminution de poids du produit obtenu et non une augmentation. Or c'est tout le contraire : les produits de la calcination des métaux sont plus lourds que les métaux originels.

Dans les années 1780, Antoine-Laurent Lavoisier, grâce à sa méthode expérimentale très rigoureuse, mettra fin à cette théorie du phlogistique.

Louis Joseph Proust, (1754-1826), chimiste français, montra la constance de la composition de l'eau, quelle que fût sa provenance. Il fut amené à énoncer la loi des proportions définies, parfois appelée loi de Proust.

Cette loi stipule que les éléments d'un composé sont tous présents dans des proportions massiques fixées, indépendamment de la manière dont le composé a été préparé.

Avec ces scientifiques commençait un nouvel âge pour la science, plus axé sur la recherche et l'expérimentation. ET enfin une proposition sérieuse d'un nouveau modèle atomique.


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Le modèle atomique de Dalton

Dalton, John (1766-1844), chimiste et physicien britannique, développe la théorie atomique sur base des travaux de Proust.

En 1805, John Dalton (physicien et chimiste anglais /1784-1844) reprend l’hypothèse atomique. Il démontre en 1808 que deux gaz quelconques se combinent toujours dans des proportions de poids simples. Ainsi 1 g d'hydrogène réagit avec 8 g d'oxygène pour former 9 g d'eau. Selon Dalton, ces résultats s'expliquent si l'on suppose que la matière est constituée des petites particules invisibles imaginées par les Grecs. Il suppose que les atomes se combinent entre eux sans modification de leur nature : un atome d’oxygène associé à deux atomes d’hydrogène donne de l’eau tandis que deux atomes d’oxygène associés à un atome de carbone donnent du gaz carbonique… Contrairement à Démocrite, ce savant ne différencie plus

les atomes par leur forme mais par leur masse.

A chaque élément chimique (comme l'oxygène, l'hydrogène, le carbone, l'azote, le fer...) correspond un type d'atomes avec un poids bien défini. Les gaz réagissent selon des rapports de poids simples (exemple : 12 g de carbone réagiront avec 32 g de dioxygène) parce que les atomes dont ils sont constitués se mélangent selon des proportions simples et entières comme des billes.

Dalton est donc le premier à définir une masse relative pour les atomes. Il attribua à l’hydrogène une masse unitaire, et arrive pour l’oxygène à 7 et pour l’azote à 5. L’APPORT DE DALTON La matière est composée de particules invisibles, indivisibles, massiques appelées atomes. Les atomes d'un élément donné ont tous la même masse et sont identiques à tous points de vue. Les atomes d'éléments différents se différencient par leur masse et leur comportement chimique. Les atomes d'éléments simples se combinent dans des proportions bien définies pour former des composés. Lors d’une réaction chimique, les atomes concernés se réorganisent, ils se séparent ou se recombinent de manière à former des composés différents

Le modèle atomique de Thomson

Contexte scientifique : l’électrostatique

Considérée pendant plusieurs siècles comme une étrangeté, l'étude des phénomènes électriques ne se développe qu'à partir du XVIIIe siècle. En 1733, François du Fay découvre que :

• deux objets frottés avec une baguette d'ambre se repoussent,

• deux objets frottés avec une baguette de verre se repoussent également,

• un objet frotté avec une baguette d'ambre et un objet frotté avec une baguette de verre s'attirent.

Il baptisa à l'époque ces deux types d'électricité « électricité résineuse » et « électricité vitreuse ». Il avait ainsi démontré l'existence de deux types de charges électriques.


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Sir William Crookes,(1832-1919), chimiste et physicien britannique né à Londres inventa le tube électronique à cathode froide appelé aujourd'hui tube de Crookes.

Le tube de Crookes

Sir Joseph John Thomson, (1856-1940)

Thomson reçut en 1906 le prix Nobel de physique pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz.

Il est à l'origine de la découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules (électrons) créés par des rayons cathodiques. Il a découvert que les rayons lumineux dans le tube cathodique étaient des électrons. Il découvrit aussi qu'il y avait une production de particules positives dans le tube cathodique. Cela l’amena à conclure que l'atome était fait de particules positives et négatives.

Thomson avança en 1898 la théorie du «pain aux raisins» sur la structure

atomique, dans laquelle les électrons sont considérés comme des «raisins» négatifs enfoncés dans un «pain» de matière positive. On appelle souvent le modèle de Thomson, modèle du pain aux raisins (ou encore le pudding).

Le modèle atomique de Rutherford

Contexte scientifique :

Découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896.

En1903, deux scientifiques anglais, Ernest Rutherford et Frédérick Soddy, comprennent que la radioactivité provient de la transformation d'un atome en un autre atome. Les atomes peuvent donc se casser. Rutherford fut l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans le domaine de la physique nucléaire.

Peu de temps après la découverte de la radioactivité, en 1896, par le physicien français Henri Becquerel, Rutherford identifia les trois composants principaux du rayonnement, qu'il baptisa respectivement rayonnements alpha, bêta et gamma. Il montra également que les particules alpha étaient en fait des noyaux d'hélium. Son étude du rayonnement le conduisit à élaborer une théorie de la structure atomique.

Ernest Rutherford, (1871-1937), physicien britannique, il fut lauréat du prix Nobel (1908) pour ses travaux en physique nucléaire et pour sa théorie relative à la structure de l'atome.


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Ernest Rutherford a grandement contribué à l'évolution du modèle atomique. En premier, il fut capable de prouver que les rayons alpha, qui se dégageaient de matières radioactives, étaient chargés positivement. Il se servit de cette découverte pour réaliser l'expérience qui lui permit de faire son modèle atomique. Il place dans une pièce un bloc de sodium enveloppé de plomb, sauf sur une face, ce qui permettait aux rayons alpha de partir en ligne droite. Devant le bloc, il plaça une feuille d'or et sur tous les murs il y avait des écrans fluorescents qui permettaient de savoir ou les particules alpha arrivaient. D'après le modèle atomique de Thomson, les rayons alpha ne devaient pas être déviés.

La plupart des rayons traversèrent en ligne droite ou furent légèrement déviés. Cependant, certaines particules alpha furent fortement déviées, ce qui surprit Rutherford.

Après une longue réflexion, il conclut que l'atome était constitué en très grande partie de vide car la plupart des particules alpha n'étaient pas déviées, qu’au milieu de l'atome il y avait un noyau de faible diamètre car il y avait peu de particules alpha qui étaient fortement déviées, que le noyau était fait de protons car celui-ci déviait les particules alpha qui sont positives et finalement il conclut que le noyau était entouré d'électrons qui se déplaçaient.

Le modèle atomique de Bohr

Contexte scientifique :

Durant les XVIIIe et XIXe siècles, la spectroscopie se développe, et on mesure des spectres de différentes sources lumineuses comme le soleil ou la lampe à hydrogène. Depuis Thomas Melvill (1726-1753) en 1750, on comprend que les spectres des éléments chimiques sont discrets et formés de raies spectrales. Toutefois, pour chaque élément, le nombre et la position des raies restaient inexpliqués. Le plus simple d'entre eux, le spectre de l'hydrogène, fut alors intensivement étudié et on trouva bientôt des « séries » de raies comme celles de Lyman, Balmer, Paschen, etc, du nom de leur découvreur.

Toutefois, il faudra attendre les travaux de Max Planck en 1900 et ceux d'Albert Einstein en 1905 pour comprendre que le rayonnement électromagnétique peut être émis (rayonnement du corps noir) ou absorbé (effet photoélectrique) avec une certaine quantité d'énergie discrète ou quantifiée: c'est le concept de photon qui transporte l'énergie


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De plus, le tableau périodique des éléments, établi par Dimitri Mendeleïev en 1869, indique que les éléments purs peuvent être regroupés en lignes et en colonnes dans un tableau suivant leurs propriétés chimiques. Si atomes il y a, ces derniers semblent alors présenter des sous-structures.

Bohr, Niels Henrik David (1885-1962), physicien danois, reçut le prix Nobel en 1922 pour sa contribution à la physique nucléaire et à la compréhension de la structure atomique.

Le modèle planétaire de l'atome présente un gros défaut. Les électrons peuvent émettre de la lumière sous certaines conditions (dans une ampoule électrique par exemple); ce faisant, ils perdent de l'énergie et devraient donc se rapprocher dangereusement du noyau jusqu'à s'y écraser ! Un tel atome ne serait donc pas stable !

En 1913, le physicien danois Niels Bohr apporte des modifications au modèle atomique décrit par Rutherford pour rendre ce modèle compatible avec les observations du spectre de l'hydrogène. Il suppose qu'il existe des orbites circulaires stables pour les électrons, c'est-à-dire qu'une fois sur une de ces orbites, l'électron ne rayonne aucune énergie électromagnétique. Il peut rester indéfiniment sur cette orbite. En outre, chacune de ces orbites correspond à une énergie bien

définie de l'électron (on parle alors de niveau d'énergie de l'électron). L'électron peut passer d'une orbite stable à une autre, c'est-à-dire d'un niveau d'énergie à un autre, par absorption ou émission d'un

quantum d'énergie h (étant la longueur d'onde du rayonnement émis ou absorbé et h désigne la constante de Planck) encore appelé photon. L'absorption d'un photon fait ainsi passer l'électron d'une orbite basse (proche du noyau) d'énergie faible à une orbite haute (loin de noyau) d'énergie plus élevée. L'émission d'un photon est l'opération inverse, l'électron passe alors d'une orbite éloignée de haute énergie à une orbite proche du noyau de plus basse énergie, le surplus d'énergie étant expulsé sous forme d'un photon. Ceci explique pourquoi on observe un spectre d'absorption et un spectre d'émission, et pourquoi ils ont les mêmes raies c'est-à-dire les mêmes longueurs d'onde.

Le modèle de Bohr s’applique bien à l’atome d’hydrogène pour expliquer le spectre atomique de l’hydrogène. Le postulat fondamental est que l’électron de l’atome d’hydrogène ne peut décrire qu’un certain nombre d’orbites bien définies autour du noyau. Néanmoins, ce succès se fait au prix d'introduction d'hypothèses émises et retenues pour le seul fait de coller au résultats expérimentaux sans que Bohr n'en avance lui-même des idées physiques plus profondes pour les justifier.

Sir James Chadwick, (1891-1974), physicien de nationalité anglaise, lauréat du prix Nobel, surtout connu pour sa découverte, en 1932, de l'une des particules fondamentales de la matière, le neutron.

Cette découverte mena directement à la fission nucléaire et à la bombe atomique. En 1909, il commença à travailler pour le physicien Ernest Rutherford. Chadwick fut l'un des premiers Britanniques à souligner la possibilité du développement d'une bombe atomique et le principal scientifique à être associé à l'effort anglais pour le développement de cette technologie. Entre 1943 et 1945, il passa le plus clair de son temps aux États-Unis, principalement au laboratoire scientifique de Los Alamos, au Nouveau-Mexique en recherche sur le développement de la bombe atomique.

Le modèle atomique aujourd’hui

Le modèle de Bohr est le dernier modèle obéissant à la physique classique, c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les phénomènes existant à notre échelle humaine.

Ce modèle est faux car à l'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent! Ces lois appartiennent à une physique très éloignée de nos concepts courants : la physique quantique.


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Modèle quantique

Le modèle de Bohr ne rend pas bien compte de l’aspect des spectres d’atomes poly-électroniques.

La théorie introduite en mécanique quantique qui associe une onde à toute particule (dualité onde-particules) permet au physicien australien Erwin Schrödinger de développer une équation dite équation d’onde pour décrire les propriétés ondulatoires de la particule et, plus particulièrement, le comportement de l’électron dans l’atome d’hydrogène.

Les chercheurs récents ont découvert qu’il est impossible de connaître précisément la position des électrons : ils n’ont pas de trajectoire bien définie. Les électrons forment un nuage électronique.

À l’aide de la mécanique quantique, on peut alors déterminer les orbitales permises, et calculer leurs rayons ainsi que leurs niveaux d’énergie.

En résumé …

Sur base de cette histoire du modèle de l’atome, comment décrire les différents modèles de l’atome ?

Le modèle atomique de Dalton (1803) : les atomes sont des particules invisibles, indivisibles et massiques qui composent la matière.

Le modèle atomique de Thomson (1898) : chaque atome est comparable à un «pain» de matière positive dans laquelle les électrons sont enfoncés comme des «raisins» négatifs (c’est le modèle du pain aux raisins ou encore le modèle du plum pudding). L’atome est neutre : la charge positive du « pain » compense la charge négative des « raisins ».

Le modèle atomique de Rutherford (1911) : l'atome est un noyau dense chargé positivement autour duquel gravitent « dans le vide » des particules négatives, les électrons, comme des planètes autour du Soleil (c’est le modèle planétaire de l’atome). L’atome est neutre.

Plus tard (en 1919), Rutherford découvre que le noyau contient lui aussi des particules, les protons, chargées positivement. L’électron est considéré comme la particule atomique de charge électrique unitaire négative et le proton comme la particule atomique de charge électrique unitaire positive. L’atome étant neutre, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons en orbite autour du noyau. Le nombre de protons est caractéristique de l’élément.

Le modèle atomique de Rutherford-Chadwick (1932) : à la suite de la découverte par Chadwick d’une nouvelle particule (le neutron) dans le noyau, le modèle atomique devient celui de Rutherford-Chadwick.

Tout atome, électriquement neutre est composé :

d’un noyau comprenant les nucléons (un ou plusieurs protons, zéro, un ou plusieurs neutrons),

d’électrons qui évoluent dans le vide autour du noyau, en nombre égal au nombre de protons.

Remarque : Il est à noter que la découverte des neutrons par Chadwick est nettement postérieure aux expériences réalisées par Rutherford. Il serait plus correct de s’en tenir au modèle de Rutherford et de parler d’un modèle de Bohr-Chadwick.

Le modèle atomique de Bohr (après 1932) : ce modèle intègre toutes les découvertes faites à cette époque, y compris celle de Bohr (en 1913) concernant la répartition des électrons autour du noyau.

Ce modèle est donc identique à celui de Rutherford-Chadwick mais il précise que les électrons se situent sur des couches différentes K, L, M, N … correspondant à différents niveaux d’énergie. D’après ce modèle :

chaque couche est occupée par un ou plusieurs électrons,

les électrons étant négatifs, se repoussent quand ils sont sur une même couche ; leur nombre est donc limité (il est égal à 2n2, où n est le numéro de la couche).

A noter que cette règle de répartition des électrons sur les couches ne s’applique que pour les éléments des 3 premières périodes.

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