Chapitre 2 : Atomes, ions et conduction électrique

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1 Chapitre 2 : Atomes, ions et conduction électrique 1/ Tous les solides sont-ils conducteurs? A/ TP Points communs entre ces objets? Points communs entre ces objets? 1/ Ce que je vais faire pour tester la conductivité des matériaux (tableau Q3). Je vais réaliser un circuit électrique avec une lampe, un générateur, des fils électriques et des pinces croco. Si la lampe s allume, le courant circule et le solide testé est conducteur. Liste du matériel Schéma du circuit électrique Fils électriques Lampe Générateur Pinces crocodiles 2/ Je réalise mon expérience dans le calme. ( appelle le professeur) Et je complète le tableau de la question 3/ en même temps 3/ Ce que j observe Matériau Fer Cuivre Zinc Aluminium Bois Plastique Verre Sel de cuisine Sucre Eclat de la lampe Conducteur ou isolant? Oui Oui Oui Oui Non Non Non Non non C C C C I I I I I 4/ Ce que je conclus : a/ Les conducteurs du tableau ont tous un point commun. Lequel? Ce sont des métaux. b/ Complète le texte :

2 Tous les matériaux solides ne conduisent pas le courant électrique. Les matériaux qui laissent passer le courant électrique sont dits (conducteurs/isolants) Les matériaux qui ne laissent pas passer le courant électrique sont dits (conducteurs/isolants). Tous les métaux sont des conducteurs électriques. B/ Conclusions du TP Tous les métaux conduisent le courant électrique : ce sont des conducteurs électriques. Certains solides comme le verre, le bois, le plastique ne conduisent pas le courant : ce sont des isolants. Si tous les métaux conduisent le courant, cela signifie qu ils ont une propriété commune qui leur permet de conduire le courant. Pourtant, tous les métaux sont différents. Il va falloir regarder au niveau microscopique pour comprendre la conduction Atome en classe de 4 ème Atome en classe de 3 ème 2/ L atome A/ Activité : Histoire de l atome

3 QUI? + Date de naissance et de mort + nationalité QUAND? QUOI? Démocrite (-460 / -370), philosophe grec. -430avt JC La matière est composée de minuscules et in(di)visibles particules qu il nomme atomes. (du grec atomos : indivisibles). Empédocle et Aristote ( ), physiciens grecs. -350avt JC L'Univers est formé de quatre éléments: la terre, l'eau, l'air et le feu. Cette théorie des 4 éléments dure jusqu à la fin du 18 ème siècle. Une longue période s écoule. La théorie des 4 éléments règne! John Dalton ( ), physicien anglais Il confirme la théorie de Démocrite par des expériences. La matière est composée de particules indivisibles et massiques appelées atomes. JJ. Thomson ( ), physicien anglais 1891 Démontre l existence de l électron, particule chargée négativement dans l atome. Enonce la théorie du «Plum pudding». Ernest Rutherford ( ), physicien Anglais 1911 Il découvre le noyau de l atome, chargé positivement. Il démontre que les électrons «gravitent» autour du noyau et qu il existe du vide entre les électrons et le noyau Enonce sa théorie du modèle planétaire de l atome. En 1916, découverte du proton. Niels Bohr (1885/1960), physicien Danois Fonde une théorie nouvelle et approfondie basée sur celle de Rutherford Erwin Schrödinger (1887/1961), physicien autrichien. Werner Heisenberg, ( ), physicien allemand 1925 Nouvelle théorie : la théorie quantique. Le noyau baigne dans un nuage d électron. C est un modèle probabiliste.

4 B/ Résumé du travail des chercheurs L atome étant très petit, invisible à l œil nu et ayant un comportement très complexe, les chercheurs ont ressenti le besoin de le modéliser. Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité construite pour expliquer des phénomènes observables. Même si le modèle planétaire de Rutherford est faux, il est suffisant, au niveau de la 3ème, pour expliquer la conduction électrique. L atome est donc constitué : Taille Masse Charge électrique D un noyau 1 fm = m kg positive Des électrons Occupent un espace de m 1 électron pèse kg négative Composition Proton + neutron Remarques Le proton est chargé positivement. Le neutron n est pas chargé. Les électrons ont une masse négligeable. L atome est électriquement neutre : il contient autant de charges positives (dans le noyau) que de charges négatives portées par les électrons L atome est 10 5 fois = fois plus grand que le noyau. Quasiment toute la masse de l atome est concentrée dans le noyau. L atome est essentiellement constitué de vide : il a une structure lacunaire comme l univers. Pour se donner une idée du vide entre le noyau et les électrons : (voir CPS «voyage au cœur de la matière») Le noyau d un atome peut être représenté par un pois chiche au milieu d un terrain de football. Si on supprimait l espace entre les atomes, la Terre pourrait rentrer dans un cube de 100 m de côté. Démonstration :

5 V Terre = 4/3 x π x R 3 = 4/3 x π x 6380 = 1,088 x km 3 = 1,088 x m 3 En supprimant le vide entre les atomes, le volume est divisé par V Terre (sans vide) = 1,088 x / = 1,088 x 10 6 m 3 Ce qui fait, en prenant la racine cubique, l équivalent d un cube de : R cube = 1,088 x 10 6 m 3 = 102,8 m de côté Autres exemples d atomes: Le carbone et l hydrogène : On donne aussi des symboles aux atomes : Atome Symbole de l atome Composition Atome Symbole de l atome Composition Atome Symbole de l atome Composition Aluminium Al 13 + et 13 - Zinc Zn 30 + et 30 - Chlore Cl 17 + et 17 - Fer Fe 26 + et 26 - Cuivre Cu 29 + et 29 - Sodium Na 11 + et 11 - Carbone C 6 + et 6 - Hydrogène H 1 + et 1 - Oxygène O 8 + et 8-3/ L Origine de la conduction électrique se trouve dans l atome Il est impossible de regarder les atomes avec la lumière du soleil (lumière visible). Les scientifiques utilisent donc des microscopes à effet tunnel. Voici les photographies des surfaces de différents métaux : On peut s apercevoir que chaque métal est constitué d atomes bien rangés (2D). En 3D, un métal est empilement régulier d atomes (spécifique aux métaux) : c est ce que l on appelle un cristal.

6 Un courant électrique est un déplacement de charges électriques. Tous les métaux conduisent le courant électrique car ils possèdent des charges électriques capables de se déplacer librement à sa surface : Les électrons libres (électrons périphériques) Cela est dû au fait que les atomes d un métal sont empilés et rangés régulièrement. Un isolant ne conduit pas le courant électrique car il ne possède pas d électrons libres La conduction électrique est le mouvement d ensemble des électrons libres dans le métal. Interrupteur ouvert= pas de courant Les électrons libres se déplacent de façon aléatoire autour du noyau. Interrupteur fermé : le courant circule Les électrons libres se déplacent de façon tous dans les même sens : du - vers le + Les électrons se déplacent donc dans le sens inverse du sens conventionnel du courant On peut dire : «Les électrons, c est comme les saumons, ça remonte le courant.» Remarque n 1: Pourquoi les isolants ne conduisent-ils pas le courant électrique? Si on étudie l intérieur d un matériau isolant, on remarque aussi des atomes à peu près bien rangés, des électrons qui tournent autour des noyaux mais qui sont solidement attachés à leur noyau et qui ne peuvent pas se balader. Il n y a pas d électrons libres dans les matériaux isolants. Remarque n 2 : A votre avis les électrons se déplacent-ils rapidement?

7 La conduction est un mouvement d ensemble des électrons libres. La vitesse des électrons due au courant est de l ordre de 0,0021 km/h. La vitesse des électrons du à la simple agitation thermique est de km/h! Comparaison : Des centaines d hommes se trouvent debout sur des chaises, les uns à côté des autres. Dès qu un homme change de chaise, il pousse celui qui est sur cette chaise qui doit lui-même changer de chaise et ainsi de suite. En conséquence, quand un électron libre saute sur l atome suivant, il pousse un autre électron libre et tous se mettent à bouger ensemble. C est une réaction en chaîne et le courant s établit immédiatement. Mouvement aléatoire des électrons libres libres Mouvement du vers les «+» des électrons 4/ Toutes les solutions conduisent-elles le courant électrique? Solvant : Liquide dans lequel on peut dissoudre + Soluté (solide ou gaz) : matière que l on dissout dans le solvant. = SOLUTION Si le solvant est l eau, alors on parle de solution aqueuse. TP : Mort de Claude François : Le 11 mars 1978 dans son bain. «Geste qui a causé sa mort» 1/ Notre corps est-il conducteur d électricité? Donne un exemple pour justifier. Notre corps est conducteur. Tous les jours, ce n est pas moins de 200 personnes qui meurent électrocutées en France. On peut essayer de répondre aux 2 questions suivantes :

8 1/ Ce que je vais faire pour tester la conductivité des solutions (tableau Q3) Je vais réaliser un circuit électrique avec une DEL (ou petite lampe) + ampèremètre en série + fils de connexions + générateur + électrodes plongées dans les solutions afin de tester la conductivité. Si la DEL ou lampe s allume, alors la solution est conductrice. Liste du matériel Schéma du circuit électrique test (on peut remplacer la DEL par une lampe) Fils électriques Electrodes Solutions à tester Lampe (ou DEL) ampèremètre 2/ Je réalise mon expérience dans le calme. ( appelle le professeur) Et je complète le tableau de la question 3/ en même temps 3/ Ce que j observe Solution Eau sucrée Eau salée Eau minérale Eau pure déminéralisée Eclat de la lampe Eteinte Allumée Faiblement allumée Eteinte Intensité (en ma) 0,00 1,3 0,30 0,00 Conductrice ou isolante? Isolante Conductrice Conductrice Isolante 4/ Ce que je conclus : Les solutions conductrices sont dites IONIQUES, car elles contiennent des IONS Les solutions non conductrices ne contiennent pas d IONS. Elles ne peuvent donc pas conduire le courant électrique. A/ L eau du robinet est une eau minérale, conductrice. Elle contient des ions. L électrocution de Claude François a donc été facilitée car elle a rendu la surface de son corps plus conductrice. B/ Notre corps est constitué d ions baignés dans l eau (notre corps contient 65 % d eau): il est donc conducteur. Si tu as fini : Refais le même circuit électrique avec un bécher d eau pure déminéralisée dans lequel tu verseras, petit à petit, une pincée de sel. Regarde l effet. Le sel ne conduit pas mais l eau salée conduit. Explication : L eau casse le cristal de sel et libère les ions sodium Na + et chlorure Cl - dans l eau.

9 Composition (aide à l exploitation du TP) solution eau distillée eau salée eau sucrée Eau minérale - molécules d eau - molécules d eau - molécules d eau H2O composition chimique - molécules d eau H2O H2O - ions chlorure Cl - H2O - molécules de - pleins d ions (H +, Na +, SO4 2-, F -, HCO3 -, Ca 2+, seulement - ions sodium Na + glucose C6H12O6 Mg 2+ )

10 5/ Les ions : l origine de la conduction

11 A/ Définition et formation des ions Définition : Atome ou groupe d atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il existe 2 types d ions : Ion positif (CATION) : Atome ou groupe d atomes qui a perdu des électrons. Exemples : Fe 2+, Fe 3+, Na +, K +, Cu 2+, Zn 2+ Ion négatif (ANION) : Atome ou groupe d atomes qui a gagné des électrons. Exemples : Cl -, F -, SO Formation des ions Chlorure et sodium à partir sur chlorure de sodium solide (sel de cuisine). L électroneutralité est toujours respectée. S il se forme un ion positif, alors il se forme en même temps un ion négatif dans la solution. Formation d un ion positif Formation d un ion négatif L atome de sodium, symbole Na, possède Z = 11 charges positives (protons) et 11 électrons. Il perd un électron chargé négativement : il contient donc 11 charges positives et 10 charges négatives. L atome de chlore, symbole Cl, possède Z = 17 charges positives (protons) et 17 électrons. Il gagne un électron chargé négativement : il contient donc 17 charges positives et 18 charges négatives. Il devient donc Na + pour signifier le déficit d électrons. Il devient donc Cl - pour signifier l excédent d électrons. Les solutions dites moléculaires (qui ne contiennent pas d ions) ne conduisent pas le courant. En revanche, toutes les solutions ioniques conduisent le courant électrique : le passage du courant est dû au déplacement des ions, chargés + ou - Les ions + se déplacent vers le pole - du générateur et les ions vers le pôle - On peut résumer sous forme du tableau : Conductrices ioniques Ions + molécules d eau Solutions aqueuses Isolantes moléculaires Que des molécules B/ Expérience : Migration des ions dans un circuit électrique. On dépose des gouttes de solutions aqueuses colorées sur une plaque imbibée de liquide conducteur incolore (nitrate de potassium (K + + NO3 )).

12 Les deux solutions sont : Solution de permanganate de potassium de formule chimique K + + MnO4 - (la coloration violette est due aux ions MnO4 - ) Solution de sulfate de cuivre Cu 2+ + SO4 2- (la coloration bleue est due aux ions Cu 2+ ) Observation : La tâche bleue migre vers le pôle négatif du générateur et la tâche violette migre vers le pôle positif du générateur. Interprétation : Les ions Cu 2+ migrent vers le pôle négatif du générateur. Les ions MnO4 - migrent vers le pôle positif du générateur. Les ions incolores «spectateurs» migrent aussi : Les ions K + migrent vers le pole négatif et les ions SO4 2- migrent vers le pôle positif. Bilan : «Les opposés s attirent et les semblables se repoussent». Dans une solution aqueuse, le courant électrique est dû à la double migration simultanée des ions : les ions positifs se déplacent vers la borne ( ) du générateur, dans le sens conventionnel du courant et les ions négatifs se déplacent vers la borne positive (+) du générateur, dans le sens inverse conventionnel du courant.

13 chargés «+» => cations chargés «-» => anions C/ Quelques exemples d ions Nom (ion ) Formule chimique de l ion Perte ou gain d e- nb de charges «+» nb de charges «-» aluminium (III) Al 3+ perte de 3 e fer(iii) Fe 3+ perte de 3 e fer (II) Fe 2+ perte de 2 e zinc (II) Zn 2+ perte de 2 e cuivre (II) Cu 2+ perte de 2 e sodium Na + perte d 1 e argent Ag + perte d 1 e hydrogène H + perte d 1 e- 1 0 potassium K + perte d 1 e chlorure Cl - gain d 1 e hydroxyde HO - nitrate NO 3 - permanganate MnO 4 - sulfate SO 4 2- En plus : 1. Toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes / de cellules / de briques. 2. Vu au microscope à effet tunnel, un atome ressemble à une boule / une pyramide / un cône. 3. La taille d'un atome est de cm / m / mm. 4. Une molécule est composée de plusieurs cellules / briques / atomes. 5. Dans l'univers il existe une dizaine / vingtaine / centaine d'atomes. 6. La théorie des atomes crochus (Antiquité grecque) appartient à Démocrite / Platon / Aristote. 7. La théorie des 4 éléments appartient à Démocrite / Platon / Aristote. 8. L'atome est composé d'un noyau et d'électrons / de protons et de neutrons. 9. Le noyau est composé d'électrons et de protons / de protons et de neutrons. 10. Il y'a autant de protons que d'électrons / neutrons que de protons.

14 11. Le nombre de protons / neutrons différencie les types d'atomes (hydrogène, oxygène, uranium...). 12. Si l'atome faisait la taille d'un terrain de football / pétanque, le noyau serait grand comme un joueur / ballon / pois chiche et les électrons ne seraient pas plus gros que des grains de sable / grains de sel / poussières. 13. Un atome est essentiellement constitué de vide / particules. 14. Les protons possèdent une charge électrique négative / nulle / positive. 15. Les électrons possèdent une charge électrique négative / nulle / positive.

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