Atomes, ions et isotopes

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1 Seconde Thème santé Activité n 6 (simulations interactives) Atomes, ions et isotopes Connaissances Compétences - Un modèle de l atome : nucléons, électrons - Charges électriques : des constituants de l atome, électroneutralité. - Eléments chimiques : ions et isotopes - Structure électronique : répartition des électrons en couches - S'approprier : extraire des informations pertinentes d un document - Réaliser : utiliser une simulation interactive. - Analyser : observer et interpréter les résultats de la simulation, élaborer un modèle. - Communiquer : rendre compte de façon écrite. Présentation : Dans le domaine de la santé, tant pour les diagnostics que pour les traitements, on utilise fréquemment des atomes ou des ions spécifiques d un effet recherché. Par exemple : - Le principe de la scintigraphie est de faire absorber, par voie orale ou veineuse, une substance contenant des atomes ou des ions, par exemple le technetium 99 ou l iode 123, dont les noyaux sont radioactifs, c'est-à-dire instables : ils se transforment spontanément en un autre atome de composition différente en émettant un rayonnement capté par une «gamma-caméra» Voir image ci-contre. - La curiethérapie permet de traiter certains cancers : on insère dans la tumeur des aiguilles contenant des atomes d iridium 192 ou d iode 12 afin d irradier celle-ci. - L'ion lithium est utilisé dans le traitement de la psychose maniaco-dépressive, affection qui provoque des perturbations graves de l'humeur. - Les eaux minérales naturelles font l objet d une autorisation de l académie de médecine pour leurs vertus thérapeutiques : ces eaux sont effectivement riches en ions (calcium, magnésium, sodium ), parfois au-dela des limites de potabilité. Problématique : Comment décrire un atome et comment différencier les 30 atomes différents à partir desquels sont «construits» l ensemble des objets qui nous entourent, du moindre grain de poussière à l appareil électronique le plus sophistiqué? Et quelle est la différence entre un atome et un ion qui porte le même nom? Cette activité propose d'utiliser des animations pour découvrir les propriétés des particules de l atome, décrire sa structure et comprendre les notions d ion monoatomique et d'isotopie. 1. Historique de l'évolution du modèle de l'atome à travers les âges : Dès l'antiquité, la constitution de la matière a été un sujet d'étude des philosophes. C'est à la fin du XIX ème siècle que le modèle de l'atome, constituant de la matière, s'est considérablement développé. Explorer l'animation "Modèles de l'atome" en activant les commentaires. Répondre aux questions suivantes : Que signifie le terme insécable? «Insécable» signifie «qu on ne peut pas couper» (ce qui signifie ici la plus petite particule possible, qu on ne peut plus diviser en fragments encore plus petits) En vous aidant de vos connaissances acquises en classe de troisième, à quoi correspond la substance électriquement positive du modèle de Thomson? La substance électriquement positive correspond au noyau de l atome.

2 Rutherford observe que la charge positive de l'atome est concentrée dans un très petit volume situé au centre de l'atome. En quoi cette observation contredit-elle le modèle proposé par Thomson? Dans le «pudding» de Thomson, la charge positive serait répartie dans l ensemble de l atome, avec quelques grains de matière de charge négative correspondant aux électrons éparpillés au sein de cette «masse» positive. L'atome en physique moderne est décrit par la théorie de Schrödinger selon lequel les électrons sont modélisés par un "nuage électronique". En quoi cette théorie contredit-elle le modèle proposé par Rutherford? Dans le modèle de Rutherford, les électrons possèdent des trajectoires circulaires bien définies autour du noyau alors que d après la théorie de Shrödinger seules des probabilités de présence à chaque endroit autour du noyau sont définies 2. Caractéristiques électriques des particules de l'atome : Le but de cette partie est de déterminer le signe de la charge électrique portée par un atome, par les particules qui le constituent (proton, neutron et électron) et par un ion. Une particule peut porter une charge électrique positive ou négative, ou ne pas porter de charge : elle est alors neutre. Pour savoir si une particule est chargée ou neutre, il faut la placer à proximité d'une autre particule portant une charge électrique connue et observer son comportement. L'animation "Boîte à charges" permet de réaliser cette étude : des entités mobiles peuvent être placées dans un cadre dont deux des cotés portent des charges électriques fixes (positives et négatives) : l'étude du mouvement des entités mobiles permet alors de déterminer leur signe. 2.1 Comportement des particules chargées : Sélectionner une répartition de charges fixes (au choix). Choisir une à une les sphères mobiles en les plaçant, sans vitesse initiale, dans la boite à charges. Observer le mouvement des sphères mobiles et décrire le comportement de chacune des particules face à des charges positives ou négatives. * Si on place une charge positive au centre de la boite : elle attire une sphère mobile chargée négativement, repousse une sphère mobile chargée positivement et n a aucune action sur une sphère mobile neutre. * Dans le cas où une sphère négative est placée au centre : elle attire une sphère mobile chargée positivement, repousse une charge mobile chargée négativement et n a aucune action sur une sphère mobile neutre. Conclusion : des charges de même signe se repoussent alors que des charges de signes opposés s attirent. Des particules neutres ne subissent ni attraction ni répulsion de la part de particules chargées. 2.2 Charges des particules composant un atome : Reprendre l'étude précédente en choisissant pour particule mobile le proton, le neutron puis l'électron. Proton : attiré par une charge négative mais repoussé par une charge positive Neutron : aucune attraction ou répulsion en présence d une charge électrique Electron : attiré par une charge positive mais repoussé par une charge négative En faisant le parallèle avec les observations du 2.1, déduire le signe des particules qui composent l'atome. En comparant les résultats des deux questions précédentes, on peut constater que les protons ont le même comportement que des charges positives. On en déduit que les protons sont des particules chargées positivement. De la même façon, les électrons sont des particules chargées négativement et les neutrons sont des particules neutres.

3 2.3 Atomes et ions : Reprendre l'étude du point 2.1 en plaçant dans la boite à charges un atome puis un ion. Recommencer plusieurs fois la manipulation pour s'assurer des résultats. Dans tous les cas, un atome n est ni attiré, ni repoussé par une particule chargée. On peut en déduire qu un atome est électriquement neutre. Dans le cas de l ion, la situation est plus diverse : certains ions sont attirés par une charge positive, d autres sont repoussés par cette même charge (mais en aucun cas ils ne restent immobiles en présence d une charge) On peut en déduire que certains ions sont électriquement positifs alors que d autres sont électriquement négatifs. Quelle différence fondamentale y a-t-il entre un atome et un ion? Un atome est toujours électriquement neutre alors qu un ion est toujours électriquement chargé (on verra dans la suite qu un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons) 2.4 Conclusion : A l'aide des résultats précédents, compléter le tableau suivant en indiquant le signe de la charge électrique des entités rencontrées : Entité Proton Neutron Electron Atome Ion Charge électrique Positive Aucune charge (neutre) Négative Aucune charge (neutre) Positive ou négative 3. Structure de l'atome et de son noyau, ions et isotopes : Nous allons construire différentes formes du lithium grâce à l'animation "Entités monoatomiques". ATTENTION : Le modèle actuel de l'atome est en réalité plus complexe que celui proposé : ainsi, les proportions atome/noyau ne sont pas respectées dans cette animation. 3.1 Localisation des particules de l'atome et symbolisation : Essayer de placer un électron, un proton et un neutron dans le noyau, puis dans le nuage électronique. Conclure : Il est impossible de placer un proton ou un neutron dans le nuage électronique alors qu ils restent en place dans le noyau. C est le contraire pour un électron. Conclusion : * le proton et le neutron sont les particules du noyau atomique * l électron est la particule du nuage électronique qui entoure le noyau Construire un noyau avec 3 protons et 4 neutrons. Ajouter le nombre nécessaire d'électrons pour obtenir une forme atomique de l'atome de lithium. Comparer alors le nombre d'électrons ajoutés et le nombre de protons du noyau. Avec 3 protons et 4 neutrons placés dans le noyau, il faut ajouter 3 électrons dans le nuage électronique pour obtenir la forme atomique du lithium. On en déduit que protons et électrons sont en nombres égaux au sein d un atome. Les scientifiques représentent le noyau des atomes sous la forme A Z X. Que représentent X, A et Z? En comparant la notation A 7 Z X, celle de l atome de lithium présentée dans le logiciel 3 Li et la composition du noyau de l atome de lithium, on peut déterminer que : - Z représente le nombre de protons présents dans le noyau - A représente le nombre total de protons et neutrons présents dans le noyau (soit le nombre de nucléons) - X représente le symbole de l atome étudié

4 A partir de la représentation symbolique présents dans un noyau? A Z X, quelle opération permet de connaître le nombre de neutrons Le nombre de neutrons (4 dans l exemple étudié) est obtenu en faisant l opération «A Z» (7 3 = 4 dans l exemple étudié) 3.2 De l'atome à l'ion: En modifiant un des paramètres, transformer l'atome de lithium Li en ion lithium Li +. Que faut-il faire pour transformer un atome en ion? Le noyau est-il modifié lors de cette transformation? Pour obtenir l ion lithium de formule Li +, il faut retirer un électron à l atome de lithium. A l occasion de cette perte d électron, la composition du noyau n est pas modifiée. Quelle est la formule générale d un ion formé à partir d'un atome X qui gagne un nombre n électrons (e - )? qui perd un nombre n d électrons? Lorsqu on retire un électron à Li, il devient Li + ; lorsqu il perd deux électrons, il devient Li 2+ (cette forme ionique n existe toutefois pas) Lorsque Li gagne un électron, il devient Li - ; lorsqu il gagne deux électrons, il devient Li 2- (mais ces formes ioniques n existent pas) Conclusion : * lorsqu un atome «X» perd «n» électrons, l ion obtenu s écrit X n+ * lorsqu un atome «X» gagne «n» électrons, l ion obtenu s écrit X n- 3.3 Les isotopes: Faire varier le nombre de neutrons du noyau pour trouver tous les atomes ayant pour symbole chimique Li «qui existent». Noter la représentation symbolique de tous ces noyaux. Tous les noyaux possibles sont au nombre de huit : 10 Li 3, Li 4 Li 11 3 (noyaux instables radioactifs) Li, Li 4 3 (noyaux stables) et Li 3, 3 Li, 3 Li, Li 3 et 7 3 Li sont des noyaux isotopes du lithium. Quel est leur point commun? En quoi diffèrent-ils? Proposer une définition de l'isotopie. Ces deux noyaux ont pour point commun «X» et «Z», c'est-à-dire que leurs noyaux ont même nombre de protons et même symbole. Par contre, ils différent par leurs nombres de nucléons A (c est donc qu ils n ont pas le même nombre de neutrons dans leurs noyaux) Définition de l isotopie : des atomes isotopes ont le même nombre de protons dans leur noyau (et le même symbole) mais pas le même nombre de neutrons 8 9 3, 4. Notion d'élément chimique : Construire à nouveau l'atome de lithium ayant pour noyau 3 Li. Ajouter successivement un électron, un neutron et un proton (retirer la particule supplémentaire entre deux essais). Compléter le tableau suivant : Ajout d'un électron à Li Représentation symbolique du noyau 3 Li 3 (noyau inchangé) Ecriture de l'atome ou de l'ion (préciser si la forme existe) Li - (forme ionique qui n existe pas) Ajout d'un neutron à Ajout d'un proton à 3 Li 3 Li 6 3 Li (on obtient un isotope de 3 Li ) 6 4 Be (on a changé de symbole en même temps que de nombre de protons) Li (forme atomique stable) Be (forme atomique qui n existe pas)

5 Le symbole chimique est-il lié au nombre Z ou au nombre A? Dans le tableau précédent, on a constaté que le symbole chimique n est pas modifié quand on ne change pas Z mais qu il l est dans le cas contraire. Le symbole chimique «X» est donc lié au nombre «Z» («X» et «Z» sont indissociables, par exemple Z = 3 est toujours associé au lithium Li) Un élément chimique est caractérisé par son nombre de protons Z et représenté par son symbole chimique. Parmi les entités rencontrées, écrire celles qui représentent l'élément lithium. (écrire la représentation symbolique du noyau et de la forme atomique ou ionique) 6 3 Li et 3 Li (respectivement Li - et Li dans le tableau ci-dessus) appartiennent tous les deux à l élément lithium (tous les isotopes d un atome appartiennent au même élément chimique). Structure électronique d'un atome : Dans son modèle planétaire, Rutherford propose en 1911 un modèle de l'atome dans lequel un noyau central est entouré d'électrons en mouvement sur des orbites quelconques. En 1913, Niels Bohr corrige le modèle de Rutherford en affirmant que les électrons sont répartis dans des orbites circulaires particulières appelées couches électroniques. Cette partie propose d'étudier ces couches électroniques et de comprendre comment les électrons s'y organisent. Lancer l'animation "Structure de l'atome" et choisir l'onglet "Les électrons". Augmenter le nombre de protons jusqu'à 18 et décrire la façon dont sont rangés les électrons autour du noyau. Les électrons se placent autour du noyau sur des «couches» qui sont notées K, L et M (de la couche la plus proche du noyau à la plus lointaine) En étant le plus précis possible, énoncer les règles suivies lors du remplissage des différentes couches électroniques (nombre d'électrons par couche, ordre de remplissage, passage d'une couche à une autre ) * Les couches électroniques se remplissent les unes après les autres (d abord K, puis L, puis M ) * Une couche commence à se remplir quand la précédente ne peut plus accueillir d électrons : - La première couche (K) peut accueillir 2 électrons - La deuxième (L) peut accueillir 8 électrons - La troisième (M) peut accueillir 8 électrons 6. L'expérience de Rutherford : Afin d'étudier la structure de l'atome, Ernest RUTHERFORD ( ) propose en 1909 de bombarder une feuille d'or avec des particules α, en plaçant un écran de détection tout autour de la feuille d'or. Une particule α est un noyau d'hélium chargé positivement, dont la taille est bien plus petite que celle des atomes d'or. Explorer les 6 étapes de l'animation "Expérience de Rutherford" et répondre aux questions suivantes : Si on considère, comme avant 1909, que les atomes sont des sphères pleines, rangées les unes contre les autres, que devrait il se passer pour les particules α? Les particules α devraient être incapables de passer à travers des atomes constitués de sphères pleines serrées les unes contre les autres.

6 Rutherford a observé une tache très intense sur l'écran de sulfure de zinc situé derrière la feuille d'or. Que peut-on déduire de cette observation? On peut déduire de cette observation que de nombreuses particules α ont été capables de traverser la feuille d or sans rencontrer aucun obstacle (puisqu elles n ont pas été déviées) Par ailleurs, quelques points fluorescents ont également été observés autour de cette tache centrale. Quelle information supplémentaire peut-on en déduire? Certaines des particules (en faible proportion car les points fluorescents sont moins étendus que la tache formée par les particules non déviées) traversent la feuille d or en subissant une déviation. En adoptant la «vue de l atome» ou la «vue du noyau», analyser la trajectoire des particules α (chargées positivement) et en déduire le signe de la charge électrique du noyau des atomes d'or. Les particules α sont repoussées par le noyau de l atome d or : on peut en déduire que les noyaux de l atome d or sont chargés positivement (des charges de même signe se repoussent) Ce résultat est conforme à celui obtenu dans la première partie de l activité. On dit que le remplissage de l'espace par la matière est lacunaire. Que signifie cette expression? L'expérience de Rutherford est-elle en accord avec cette affirmation? «Lacunaire» signifie dans ce cas que la matière est constituée principalement de vide. L expérience de Rutherford a apporté ce modèle puisque, lorsqu on l interprète, on peut dire que le noyau est entouré de vide, ce qui permet à la grande majorité des particules α de ne rien rencontrer sur leur trajectoire et de ne pas être déviées. 7. Retour sur le texte d introduction Utiliser l'animation "Structure de l'atome" et choisir l'onglet "Le noyau" pour donner la représentation symbolique des atomes cités dans le texte d introduction. Remarque : la valeur qui suit le nom de l atome (par exemple iode 123) correspond à son nombre de nucléons. La scintigraphie utilise des atomes de technetium 99 ou d iode 123 La curiethérapie utilise des atomes d iridium 192 ou l iode 12 Utiliser l'animation "Entités monoatomiques" pour donner la formule des ions cités dans le texte d introduction. On se limitera aux formes ioniques «qui existent». Ion lithium Ions des eaux minérales

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