Chapitre 1 Pourquoi certains matériaux sont conducteurs

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1 Table des matières Chapitre 1 Pourquoi certains matériaux sont conducteurs 1. Les métaux dans la vie quotidienne Quelques métaux usuels 1.2. Savoir reconnaître les métaux 2. Matériaux conducteurs et matériaux isolants Conduction du courant électrique dans les solides 2.2. Conduction du courant électrique dans les solutions aqueuses 3. Structure dʼun atome Les généralités 3.2. Connaître la structure dʼun atome en particulier 3.3. Exemple de représentation dʼun atome (et de sa structure) 3.4. Quʼest-ce quʼun ion? 3.5. Quelques formules chimiques dʼions à connaître 17 mai 2009

2 Chapitre 1 Pourquoi certains matériaux sont conducteurs 1. Les métaux dans la vie quotidienne 1.1. Quelques métaux usuels (Voir Activité p ) 1 Les métaux usuels les plus couramment utilisés sont le fer, l'aluminium, le cuivre et le zinc. Leurs usages sʼétendent à de nombreux domaines : le bâtiment, les emballages, lʼélectricité et lʼélectronique, la cuisine, lʼautomobile, etc. Pour des objets précieux, on utilise souvent lʼor et lʼargent (bijouterie, décoration, arts de la table...) 1.2. Savoir reconnaître les métaux Le cuivre se reconnaît grâce à sa couleur caractéristique (orange/marron). à droite : deux petits morceaux de cuivre ci-contre (à gauche) : une équerre en acier (lʼacier est un alliage constitué de fer à 99 %) Le fer est le seul métal qui ait des propriétés magnétiques : il est attiré par un aimant. On peut également distinguer les métaux en calculant leur masse volumique (unité standard : kg/m 3 ; plus simplement on lʼexprimera en g/cm 3 ) Tous les métaux présentent un éclat, appelé éclat métallique. Quand on les laisse à lʼair libre, ils se ternissent (sauf lʼor), car ils réagissent avec certains constituants de lʼair (le dioxygène en particulier). ci-contre (à droite) : statue de Denis Diderot, œuvre dʼauguste Bartholdi (Langres, 52). Cʼest une statue en bronze (alliage de cuivre et dʼétain). La corrosion du cuivre entraîne la formation de vert-de-gris (couleur verte). (auteur de lʼimage originale : Christope Finot ; licence Creative Commons ; source : Wikimedia Commons) 1 Les numéros de pages indiqués dans ce document correspondent au manuel utilisé en classe (René Vento et al., Physique-Chimie 3 e, Bordas, Paris 2008) page 1 sur 5 17 mai 2009

3 2. Matériaux conducteurs et matériaux isolants 2.1. Conduction du courant électrique dans les solides (voir Activité 1 p. 22) Tous les métaux (et les matériaux métalliques) sont conducteurs. Les matériaux non métalliques ne sont pas conducteurs (à lʼexception de certaines formes de carbone, comme le graphite utilisé dans les mines de critérium). Un courant électrique dans un métal est dû à un déplacement dʼélectrons dans le métal. Le sens de déplacement des électrons est lʼopposé du sens conventionnel du courant. sens de déplacement des électrons sens conventionnel du courant 2.2. Conduction du courant électrique dans les solutions aqueuses Rappel : Une solution aqueuse est une solution dont le solvant est lʼeau. (voir Activité 2 p. 23) Lʼeau pure est un très mauvais conducteur (sans être pour autant un bon isolant ). Seules les solutions ioniques sont conductrices (solutions contenant des ions). Un courant électrique dans une solution ionique est dû à un déplacement dʼions dans la solution. (voir Activité 3 p. 24) Les ions positifs (portant une charge électrique positive) se déplacent dans le sens conventionnel du courant. Les ions négatifs (portant une charge électrique négative) se déplacent dans le sens opposé. sens conventionnel du courant sens de déplacement des ions positifs sens de déplacement des ions négatifs Pour comprendre ces déplacements de particules chargées, il faut aller un peu plus loin dans la connaissance de la structure de la matière. page 2 sur 5 17 mai 2009

4 3. Structure dʼun atome 3.1. Les généralités Rappels de 4 e : un atome est assimilable à une sphère dure. lʼordre de grandeur du rayon dʼun atome est 0,1 nm (1 nm = 10-9 m ; «un nanomètre») Allons plus loin un atome est électriquement neutre. un atome est constitué dʼun noyau et dʼélectrons présents autour du noyau. le noyau : il est situé au centre de lʼatome. il a une charge électrique positive. il concentre presque toute la masse de lʼatome. les dimensions du noyau sont environ fois plus petites que celles de lʼatome 2. les électrons : tous les électrons sont identiques. Chaque électron a une charge électrique négative, notée -e («e» est la plus petite charge électrique connue, et est appelée «charge électrique élémentaire») Connaître la structure dʼun atome en particulier Un type dʼatome peut être désigné de manière caractéristique par trois choses : son nom (exemple : «atome de cuivre»). son symbole chimique (exemple : Cu). son numéro atomique Z (exemple : Z=29). Le numéro atomique Z dʼun atome correspond au nombre de charges élémentaires positives que contient son noyau. Tous les atomes connus sont classés dans un tableau 3 que lʼon appelle «classification des atomes» (voir la dernière page du livre, au dos du quatrième de couverture). Exemple dʼune case du tableau (celle de lʼatome de cuivre) : cuivre nom de lʼatome numéro atomique Cu 29 symbole de lʼatome 2 Comme une tête d'épingle par rapport à un terrain de football! Un atome est donc surtout constitué de vide 3 La première version, «ancêtre» de ce tableau, a été établie pour la première fois en 1869 par Dmitri Mendeleiev, scientifique russe ( ), à partir des connaissances de lʼépoque sur la masse des différents atomes, ainsi que leurs différentes propriétés chimiques. Cette première version était bien moins complète que celle connue aujourdʼhui, et comportait même quelques «trous», qui amenèrent Mendeleiev à prédire lʼexistence et les propriétés dʼatomes qui ne furent découverts que quelques années plus tard (atomes de gallium et de germanium en particulier). Surtout, lʼordre de classement tenait compte essentiellement de la masse des atomes ; la notion de numéro atomique ne fut découverte et comprise que plusieurs dizaines dʼannées plus tard (années 1910). page 3 sur 5 17 mai 2009

5 3.3. Exemple de représentation dʼun atome (et de sa structure) Prenons lʼexemple de lʼatome de cuivre : nom de lʼatome : atome de cuivre numéro atomique Z = 29 symbole : Cu charge électrique de lʼatome : 0 le numéro atomique donne le nombre de charges élémentaires positives dans le noyau - 29e + 29e comme lʼatome est électriquement neutre, la charge de lʼensemble des électrons est lʼopposé de la charge du noyau À partir de cette représentation (qui peut être un support à faire au brouillon), on peut écrire : «Un atome de cuivre est composé dʼun noyau (portant une charge électrique + 29e) et de 29 électrons.» 3.4. Quʼest-ce quʼun ion? Un ion est presque identique à un atome (on parlera dʼion mono-atomique) ou à une molécule (on parlera dʼion poly-atomique), mais il est électriquement chargé. On distingue : les ions positifs (chargés positivement). les ions négatifs (chargés négativement). exemple : nom de lʼion : ion cuivre II numéro atomique Z = 29 formule chimique : Cu 2+ charge électrique de lʼion : +2e - 27e + 29e page 4 sur 5 17 mai 2009

6 La formule chimique de cet ion (Cu 2+ ) nous indique que sa charge vaut +2e. Le noyau est bien sûr inchangé («Cu» correspond à Z=29), sa charge vaut +29e. Donc la charge des électrons vaut -27e ; en effet (+29e -27e) = +2e. «Lʼion cuivre II est donc constitué dʼun noyau (portant une charge électrique + 29e), et de 27 électrons.» On pourrait dire que lʼion cuivre II est un atome de cuivre qui a perdu 2 électrons. Savoir lire la formule chimique dʼun ion. Exemple de lʼion sulfate. 2- SO4 cette partie de la formule signifie que lʼion sulfate a une charge électrique - 2e. cette partie de la formule signifie que lʼion sulfate est formé à partir de 1 atome de soufre et 4 atomes dʼoxygène liés entre eux Quelques formules chimiques dʼions à connaître Le tableau ci-dessous contient les noms et les formules chimiques de quelques ions qui sont à connaître. Nous allons les retrouver dans la suite de notre cours. nom de lʼion formule chimique ion sodium Na + ion cuivre II Cu 2+ ion fer II Fe 2+ ion fer III Fe 3+ ion hydrogène H + ion chlorure Cl (*) ion hydroxyde HO (*) Si on lʼécrit à la main, la formule chimique de lʼion chlorure sʼécrit «Cl». page 5 sur 5 17 mai 2009