Première approche de la structure des molécules NOM CLASSE N : PRENOM DATE :

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1 Première approche de la structure des molécules NOM CLASSE N : PRENOM DATE : Les états de la matière et leurs caractéristiques principales La matière se compose de molécules Les liaisons intermoléculaires Les liaisons entre les molécules sont des liaisons faibles. Ce sont ces liaisons qui vont se rompre lors de la fusion et de l'ébullition. Une matière comportant des liaisons intermoléculaires solides est caractérisée par un point de fusion et d'ébullition élevés. États de la matière Dans le cas le plus général, la matière existe sous trois états : solide, liquide ou gaz. L'état solide les liaisons intermoléculaires sont permanentes. A l'intérieur de la matière, les molécules sont en perpétuel mouvement. A l'état solide, cela se limite à des mouvements de vibration des molécules. Lorsque la fréquence des vibrations atteint la limite autorisée par la solidité des liaisons intermoléculaires, tout apport de chaleur supplémentaire se traduit par une rupture des liaisons les plus faibles, on va alors vers l'état liquide. L'état liquide les liaisons intermoléculaires sont temporaires. En augmentant, cette énergie de mouvement permet de rompre progressivement les liaisons intermoléculaires pour passer à l'état liquide. A l'état liquide, il existe encore un nombre important de liaisons. Toutefois ces liaisons ne sont pas permanentes, mais sont temporaires. Ce qui signifie qu'elles se forment et se défont en permanence. Mais au fur et à mesure que l'on augmente la température, les mouvements des molécules s'amplifient ; de plus en plus de liaisons se cassent. Beaucoup se reforment mais certaines molécules s'en vont. Ce sont les vapeurs émises par les liquides. On passe alors à l'état gazeux. L'état gazeux les particules sont libres. A l'état gazeux les liaisons intermoléculaires ont disparu, les particules sont libres. Elles se déplacent continuellement, à très grande vitesse et en ligne droite; et entrent fréquemment en collisions, soit entre elles, soit avec les parois limitant le volume occupé par les gaz. Ainsi à la pression atmosphérique à +25 C, chaque molécule d'azote subit 10 milliards de collisions par seconde. Ces chocs sont à l'origine de la pression exercée par le gaz sur les parois. Plus la température est élevée et plus les molécules de gaz sont rapides. 15

2 Propriétés caractéristiques de l'état gazeux. Les particules de gaz sont libres et s'agitent de façon désordonnée en occupant tout le volume offert, donc un gaz sera compressible, car entre les molécules en mouvement il existe des espaces que l'on peut réduire en comprimant le volume dans lequel elles s'agitent. Un gaz sera expansible sans limite parce que ses molécules, en raison de leurs agitations incessantes et désordonnées, se répartissent spontanément dans tout l'espace qui leur est offert. L'eau pure est un ensemble de molécules identiques Quelques conséquences de la structure moléculaire de l'eau L'eau liquide et la vapeur sont fluides : elles n'ont pas de forme propre et se laissent traverser sans effort. La glace flotte sur l'eau. La structure de la glace présente des cavités, et sa masse volumique est un peu plus faible que celle de l'eau. La vapeur d'eau est compressible : elle peut diminuer de volume ou, au contraire, occuper tout l'espace offert Un apport de chaleur modifie la répartition des molécules dans l'espace : tassement lors de la fusion de l'eau ; éloignement lors de la vaporisation. L'espace entre les molécules ne contient pas de matière. Les molécules d'eau étant électriquement neutres, l'eau pure liquide est un mauvais conducteur. Première approche de la structure des molécules Les molécules sont composées d'atomes liés entre eux par des forces électriques. Les liaisons atomiques Les éléments peuvent exister soit seul, soit liés à d'autres atomes de même type ou de types différents. Un exemple de composé chimique est l'eau qui est le résultat de la liaison entre un atome oxygène et de deux atomes hydrogène. Les liaisons qui font la cohésion d'une molécule sont des liaisons atomiques, ce sont des liaisons fortes, cela nécessite beaucoup d'énergie pour les briser. Plus les liaisons atomiques sont fortes et plus la molécule est stable. L'eau pure est un ensemble de molécules identiques Chaque molécule d eau est formée de deux atomes hydrogène (H) liés à un atome oxygène (0). Les chimistes lui attribuent la formule (H 2 O). 16

3 NOM : PRENOM : DOCUMENT : histoire d atomes CLASSE : N : DATE : Document 1 De tout temps l'homme s'est posé la question : mais de quoi est constituée la matière? Dès l'antiquité, les premiers "scientifiques" grecs croyaient que la matière était constituée de quatre éléments: la terre, l'eau, le feu et l'air. Cette croyance trouve une explication dans l'observation de la combustion d'un morceau de bois. Pendant la combustion, il y a production de fumée (air), de vapeur d'eau (eau) et de cendre (terre). Cette théorie quoique simple était le résultat d'observations de philosophes tel que Thalès et Empédocle. La théorie atomique la plus originale de l'époque fût proposée au V ième siècle avant notre ère par Démocrite. Ce savant philosophe proposa que la matière était constituée de particules infiniment petites et indivisibles Toutes substances étaient faites de ces particules. Entre ces particules existait un espace vide. La matière était donc discontinue. En grec ancien le mot atomos et la théorie de Démocrite a laissé ses traces jusqu'à nos jours. 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. La théorie atomique d'aristote Aristote s'appuyait sur le concept des quatre éléments de base de Thalès et affirmait que les atomes ne pouvaient exister puisque invisibles à ses yeux. La conception aristotélicienne de la matière reçue l'appuie des religieux de l'époque et traversa les siècles qui suivirent jusqu'au 18 ième siècle. Vers le 15 ième siècle Vers le 15 ième siècle des savants commencèrent à progresser dans la connaissance de la matière et à remettre en doute les concepts d Aristote sur le monde et la matière. L'expérimentation et la présentation devant le roi d'expériences simples devenaient à la mode. Vers le 17 ième siècle Robert Boyle (chimiste anglais du 17 ième siècle) proposa que la matière était faite de quelques substances simples appelées éléments. Dans les années 1780, Antoine - Laurent Lavoisier ( ) réussit à décomposer l'oxyde de mercure et énonça la loi de la conservation de la masse. Le fameux "rien ne se perd, rien ne se crée tout se transforme". Vers le 19 ième siècle Lorsqu'en 1803 le chimiste britannique John Dalton ( ) étudia les réactions chimiques, il fonda sa théorie sur l'existence de petites particules insécables, les atomes. La théorie atomique de Dalton ne fut pas acceptée tout de suite dans la communauté scientifique. Elle ne découlait pas d'une observation expérimentale directe comme les lois précédentes, elle était plutôt le fruit d'une déduction logique. 17

4 Personne n'avait jamais vu d'atomes... alors comment y croire? 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. Vers le 20 ième siècle Sir Joseph John Thomson, ( ), physicien de nationalité anglaise, reçut en 1906 le prix Nobel de physique pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz. S'appuyant sur les travaux du britannique Crookes ( ), Thomson est à l'origine de la découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules (électrons) créés par des rayons cathodiques.théoricien et expérimentateur, Thomson avança en1898 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. Lord, Ernest Rutherford, ( ), physicien britannique, fut, en 1908, lauréat du prix Nobel de chimie pour ses découvertes sur la structure de l'atome. En bombardant une mince feuille d'or avec des particules neutres, il observa que la plupart des particules traversaient la feuille sans être déviées, alors que certaines étaient cependant détournées. Le nouveau modèle avait les caractéristiques suivantes L'atome est surtout constitué de vide (les particules traversent la feuille d'or comme s'il n'y avait pas d'obstacle). Au centre de l'atome doit se trouver une masse importante positive (que Rutherford appela noyau) puisque les rayons positifs sont déviés en traversant la feuille d'or (+ et + se repoussent). Ce noyau doit être extrêmement petit et dense puisqu'une très petite proportion des rayons rebondisse directement. L'atome est neutre, il y a autant de charges positives que de charges négatives.les charges négatives gravitent autour du noyau comme les planètes autour du soleil. Son modèle n'était pas encore très au point mais son élève Niels Bohr ( ), physicien danois, apporta au modèle les modifications qui le rendirent conforme aux nouvelles découvertes. Il obtint le prix Nobel en 1922, pour sa contribution à la physique nucléaire et à la compréhension de la structure atomique. Son travail s'inspira du modèle nucléaire de l'atome de Rutherford, dans lequel l'atome est considéré comme un noyau compact entouré d'un essaim d'électrons. Depuis, d'autres modèles plus complexes ont été élaborés permettant ainsi d'expliquer de nombreux phénomènes chimiques. Extraits du site Internet : Questions sur le document 1 1. Tracer ci-dessous un axe gradué chronologiquement dans le temps et faites y figurer les différents scientifiques cités dans le texte. 2. Qui fut le premier à parler d'atome? 3. Qui a découvert l'électron? 4. Qui repris plusieurs siècles plus tard, l'idée de Démocrite, 4. Quel est le modèle d'atome proposé par J.J. Thomson? 5. Que déduit Rutherford de son expérience? 6. Quel est le modèle d'atome proposé par Rutherford? 7. Y - a- t- il eu d'autres modèles depuis Rutherford? Citez un scientifique ayant repris et approfondi ce modèle. 8. D'une manière générale, un modèle est- il conforme à la réalité? Quel est son intérêt? 18

5 Document 2 : Structure de l'atome Lorsque j'entrai au laboratoire dirigé par Joliot au Collège de France, la connaissance que j'avais de la structure de la matière ne devait guère dépasser celle acquise par un lycéen de 1993 qui est abonné à de bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapidement : la matière est composée d'atomes, eux - mêmes constitués de noyaux entourés d'un cortège d'électrons.les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de sens opposé à la charge des électrons qui gravitent autour du noyau La masse d'un atome est concentrée dans le noyau. Peut-être, sans prétendre faire un cours de vulgarisation, puis- je donner quelques précisions en me fondant sur les notions qui sont intuitives chez presque tous les lecteurs? Un litre d'eau contient environ trente millions de milliards de milliards d'atomes oxygène et deux fois plus d'atomes hydrogène. Or le litre d'eau pèse un kilogramme. Si je devais exprimer la masse de chaque atome avec les unités familières dans la vie courante, comme le kilogramme, je traînerais des chiffres avec une quantité quasi insupportable de zéros après la virgule! [..] Le diamètre d'un atome est voisin d'un centième de millionième de centimètre. Celui d'un noyau d'atome est cent mille fois plus petit. On voit donc que presque toute la masse d'un atome est concentrée en un noyau central et que, loin sur la périphérie, se trouve un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, les électrons. C'est ce cortège seul qui gouverne le contact des atomes entre eux et donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au c ur des atomes, en constituent la masse. Extrait du livre " La vie à fil tendu" de Georges Charpak Questions sur le document 2 1. Relever une citation qui mette en évidence le fait que l'atome appartient au domaine de l'infiniment petit 2. Quelles sont les deux parties principales d'un atome? 3. Quel est l'ordre de grandeur du diamètre d'un atome d'un atome? Exprimer cet ordre de grandeur sous forme de nombre décimal. Puis traduisez- le sous forme de puissance de dix.le nanomètre (nm) est un sous - multiple du mètre tel que 1 nm = 10-9 m. Exprimer alors l'ordre de grandeur des dimensions de l'atome en nanomètre. 4. Que contient le noyau? 5. Quel est l'ordre de grandeur d'un atome par rapport à son noyau? 6. Quel type de charge électrique est porté par le noyau? 7. Où se trouve concentrée la masse de l'atome? 8. Quel type de charge électrique est porté par l'électron? 9. Comment sont les nombres de charges positives et d'électrons? 10. Comment est l'atome d'un point de vue électrique? 11. Analogie : Considérons une cerise, parfaitement sphérique et ayant également un noyau sphérique. Le diamètre de son noyau est d'environ 0,5 cm. Si l'ordre de grandeur du noyau par rapport à la cerise était le même que dans le cas de l'atome, quel serait alors le diamètre de la cerise? 19