Chap1 : La conduction électrique et les constituants de l atome.

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1 Chap1 : La conduction électrique et les constituants de l atome. Items Connaissances Acquis Les métaux les plus couramment utilisés. Les solides conducteurs électriques. Les solutions aqueuses conductrices. Le modèle de l atome. Les ions. Interprétation de la conduction électrique dans un métal. Interprétation de la conduction électrique dans une solution acqueuse. Capacités C3.1.1 Observer, recenser des informations C3.1.2 Pratiquer une démarche expérimentale C3.1.1 Extraire d un document (papier, multimédia) les informations utiles C3.1.2 Valider ou invalider une hypothèse I. Les métaux dans la vie quotidienne. AE : Le tri des métaux Test de couleur : De quelle couleur est le métal? Jaune Rouge Gris Test à l aimant Est-il attiré par un aimant? Oui Non Test de densité : Le métal est il dense? Le moins Moyen dense Le plus dense Or Cuivre Fer Aluminium Zinc Argent Page 1 sur 9

2 Conclusion : Les métaux les plus couramment utilisés sont le fer, le zinc, l aluminium, le cuivre, l argent et l or. Ils se distinguent par leur couleur (or et cuivre), leur densité (aluminium) et leur propriété magnétique (Fer). Leur utilisation est liée à leurs propriétés physiques ou chimiques : conductivité, malléabilité, densité, résistance à la corrosion etc.. Exemples d utilisations : Pointer sur l opéra Garnier (on distingue de l or, du cuivre et du zinc) Document p15 : L utilisation des métaux. 1. Les propriétés de l aluminium, qui expliquent son utilisation grandissante, sont sa légèreté et le fait qu il ne s altère pas à l air. 2. L aluminium est utilisé dans les carrosseries automobiles, dans l aviation, dans l aéronautique, dans les transports ferroviaires et nautiques. 3. Le principal inconvénient du fer est sa faible résistance à la corrosion : il rouille. On peut y remédier en le recouvrant d une couche protectrice de peinture, de vernis, de matière plastique ou bien de métal inaltérable. 4. Un alliage est la combinaison d un métal avec un ou plusieurs autres éléments. L intérêt d un alliage est de modifier les propriétés physiques du métal afin de les améliorer. 5. On utilise le cuivre dans les objets d ornement, car il est très malléable, ductile et il possède une jolie couleur rouge rosée. 6. Les propriétés du cuivre utiles dans l industrie sont sa bonne conduction de la chaleur et de l électricité, mais aussi le fait qu il soit malléable et ductile. De plus, il s allie facilement avec de nombreux métaux et il existe ainsi de nombreux alliages, à partir du cuivre, qui possèdent des propriétés variées. Exercices : 6p19 : Une vilaine voiture neuve! 1. Les carrosseries de voiture sont en acier, alliage de plusieurs métaux dont le fer. 2. Le rôle de la peinture est donc de protéger la carrosserie d agressions extérieures. 3. L éraflure met la carrosserie à nu. Le fer contenu dans l acier peut alors être oxydé sous l action de l air et de l eau ; la rouille qui se formerait s étendrait alors à toute la carrosserie. 7p19 : Des alliages drôlement utiles! 1. Un alliage est une combinaison d un métal avec un ou plusieurs autres éléments. Un métal pur a des caractéristiques mécaniques relativement faibles. Le fait d ajouter d autres éléments permet d augmenter les caractéristiques mécaniques et/ou de modifier les caractéristiques chimiques des métaux (en particulier leur comportement à la corrosion), ou d améliorer d autres caractéristiques (facilité de mise en œuvre par exemple). 2. L aluminium est un métal léger mais relativement souple. L employer seul dans la construction aéronautique ne serait pas possible : on utilise alors le duralumin, qui contient aussi du cuivre et qui conférera aux objets construits dureté et légèreté. L autocuiseur doit être bon conducteur de la chaleur, mais doit aussi résister à la corrosion. Un métal seul n a pas toutes ces propriétés, d où l utilisation de l acier inoxydable. Le cuivre pur est très ductile, mais a une température de fusion très élevée, donc, seul, il est plus difficile à mouler. Le laiton combine les propriétés des deux métaux et convient parfaitement à la fabrication de robinets. 8p19 : L air qu on respire. 1. L air est constitué de dioxygène et de diazote. Page 2 sur 9

3 2. C est le dioxygène qui intervient dans la formation de la rouille ml de gaz ont disparu ml de gaz sur 250 ml ont disparu, ce qui fait une proportion de 1/5. Le gaz qui a disparu a été utilisé dans la formation de la rouille : c est le dioxygène. Le gaz restant est le diazote : il en reste donc 4/5. 5. L air contient en volume 1/5 de dioxygène et 4/5 de diazote. 9p19 : trier les métaux. 1. Ce sont des métaux. 2. Sur la canette jaune, il est indiqué acier recyclable : elle contient donc du fer ; la verte est en aluminium. 3. À l aide d un aimant, Leïla peut attirer les canettes en acier (elles contiennent du fer). 10p19 : Quel métal choisir. a. Les fils électriques sont en cuivre, car le cuivre est un bon conducteur de l électricité et il est ductile. b. Les gros câbles sont en aluminium, car l aluminium est un métal léger et un bon conducteur électrique. c. L or est utilisé en bijouterie, car il est malléable et ne s oxyde pas. d. La semelle des fers à repasser est en acier, car elle contient du fer et le fer est un bon conducteur thermique. II. Conduction des solides. 1. Les solides conducteurs. Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. Conducteurs : tous les métaux (cuivre, fer, argent, or etc. ), carbone graphite (mine de crayon) Isolants : plastique, bois, verre, porcelaine, sel, sulfate de cuivre, sucre. 2. Un modèle pour l atome. Un atome est constitué d un noyau autour duquel tournent des électrons (charge élémentaire négative) Le noyau contient des protons (charge élémentaire positive) dont le nombre est appelé numéro atomique Z. L atome est électriquement neutre : Il contient autant de proton (charge positive) que d électron (charge négative) Le diamètre d un atome est de l ordre du dixième de nanomètre (0,1nm=10-10 m), son noyau est environ fois plus petit. L espace entre les noyaux et les électrons est vide. Analogie système solaire. Exemples : Atome d hydrogène Atome de carbone Modèle Nombre de proton 1 6 Nombre d électron 1 6 Charge totale 0 0 Page 3 sur 9

4 Exercices : 12 p47 : utiliser l image d un microscope électronique atomes accolés correspondent à 2,3 cm. Cela donne pour un atome un diamètre de 2,3 mm. L échelle donne 3,8 cm pour 5 nm. Par proportionnalité, on trouve pour l atome un diamètre de l ordre de 0,3 nm, ce qui correspond à un ordre de grandeur du 1/10 de nanomètre. 2. Agrandissement de la photographie: 3, / = p47 : ramener à notre échelle. 1. La distance demandée correspond au rayon du ballon multiplié par , soit 11 km. 2. Cette distance correspond à 110 longueurs de terrain de football. 14p47 : comparer des masses. 1. m (noyau) /m (électron) = 1, / 9, = environ. 2. Cela confirme que la masse est essentiellement concentrée dans le noyau. 3. Le courant électrique dans les métaux. AD Le courant électrique dans les métaux. Les métaux sont de très bons conducteurs de l'électricité. Utilisons le modèle de l'atome pour expliquer ce phénomène. Comment expliquer le courant électrique dans un métal? La structure du métal cuivre. Au microscope, on découvre que le cuivre est constitué de minuscules cristaux. Dans chaque cristal, les atomes de cuivre sont rangés de façon régulière. La plupart des électrons d'un atome de cuivre sont solidement rattachés au noyau positif, mais certains peuvent se déplacer avec facilité d'un atome à l'autre. Ces électrons sont appelés «électrons libres» (libres de se déplacer). Leurs déplacements se font dans toutes les directions. Globalement, le métal reste électriquement neutre car les électrons libres ne quittent pas le métal. Que se passe-t-il dans un circuit électrique? Dans un circuit fermé, le métal est soumis à l'influence du générateur. Le mouvement désordonné des électrons libres du métal est modifié. Tout se passe comme si les électrons étaient attirés par la borne (+) du générateur. Ils sont très nombreux à se déplacer et chacun d'entre eux se déplace peu. Le générateur agit comme une pompe à électrons: il les attire vers le pôle (+) et les rejette par le pôle (-). Le sens de déplacement des électrons est donc le sens inverse du sens choisi conventionnellement pour le courant. Que compte l'ampèremètre? Quand l'interrupteur est ouvert, autant d'électrons traversent l'ampèremètre dans un sens que dans l'autre: le bilan est équilibré, l'ampèremètre indique zéro. Si l'interrupteur est fermé, les électrons allant vers la borne (+) du générateur sont plus nombreux. Le bilan n'est plus équilibré et l'ampèremètre indique un même débit en tout point du circuit série. Page 4 sur 9

5 Questions : 1. Qu'appelle-t-on un électron libre? C est un électron qui peut se déplacer avec facilité d'un atome à l'autre 2. Les électrons du cuivre sont-ils tous libres? Non, certains sont solidement rattachés au noyau positif. 3. Comment se déplacent les électrons libres dans le cuivre quand le circuit est ouvert? Leurs déplacements se font dans toutes les directions 4. Comment se déplacent les électrons libres dans le cuivre quand le circuit est fermé? Le mouvement désordonné des électrons libres du métal est modifié. 5. Quel est le sens du déplacement global des électrons? Is se déplacent de la bornes (-) vers la borne (+) du générateur. 6. Pourquoi un ampèremètre placé dans un circuit ouvert indique-t-il une valeur nulle de l'intensité? Car autant d'électrons le traversent dans un sens que dans l'autre. 7. À l'aide de vos connaissances, expliquez en quelques phrases comment un courant électrique peut exister dans un métal. Conclusion : Dans un métal, le courant électrique est un déplacement d électrons qui circulent de la borne moins vers la borne plus du générateur (sens inverse du sens conventionnel du courant). Exercices : 16 p32 : plus ou moins conducteur ou isolant. 1. Le plus conducteur est celui qui a la plus petite résistance, donc dans l ordre : le cuivre, l aluminium, le tungstène, le fer et l alliage. 2. Les électrons se déplacent donc le plus facilement dans le cuivre et le moins facilement dans l alliage. 21 p33 : en avant marche. 1. Durée de parcours : Δt = d / v = / 0,12 = 1, s (3 h 28 min et 20 s). 2. Durée de transmission : Δt = d / c = 1,5 / = s (5 milliardièmes de seconde). 3. La transmission de la mise en mouvement est quasi instantanée, alors que le mouvement est lent. III. Conduction des solutions AE : Toutes les solutions aqueuses conduisent elles le courant? Pourquoi certaines solutions peuvent elles conduire le courant électrique? 12V 1- Protocole expérimental Schéma 6V-100mA A 100mA Page 5 sur 9

6 Expérience Réaliser le circuit électrique: - Générateur à régler sur 12 V en continu Calibre de l'ampèremètre : 100 ma en continu. Remplir successivement l'électrolyseur avec une des solutions. Mesurer l'intensité dans chaque cas et compléter le tableau. Attention : Le remplissage s'effectue de façon à recouvrir juste les électrodes Tableau de résultats : on peut ajouter eau robinet + 2g/L de sucre et eau du robinet + alcool (9 groupe) Liquide Eau déminéralisée (distillée) Eau du robinet Eau déminéralisée sucrée à 2g/L de saccharose Eau salée à 2 g/l de chlorure de sodium Eau salée à 10g/L de chlorure de sodium Eau déminéralisée alcoolisée à 5 Solution à 10 g/l de sulfate de cuivre Intensité mesurée (en ma) 0,3mA 20mA 0,3mA 88mA 120 ma 0,3mA 81mA État de la lampe Éteinte Éteinte Éteinte Brille faiblement Brille normalement Éteinte Brille faiblement Observations On constate que toutes les solutions ne conduisent pas le courant de la même façon. 3-Interprétation Données Nom de la solution utilisée Nom chimique de la substance mélangée à l eau Formule chimique des particules rajoutées à l eau Eau sucrée Saccharose C 12 H 22 O 11 Eau salée Chlorure de sodium Na + et Cl - Eau alcoolisée Ethanol C 2 H 6 O Solution de sulfate de cuivre Sulfate de cuivre Cu et SO 4 Les particules chargées (électriquement) présentes dans une solution s'appellent des ions Questions 1. Quelle(s) différence(s) importante(s) y a t-il entre les formules chimiques du tableau cidessus? Certaines formules contiennent des signes + ou 2. En vous aidant du tableau de résultats, trouver le lien entre la conduction électrique d'une solution et la nature des particules présentes dans cette solution - Les solutions qui conduisent sont celles qui contiennent des particules électriquement chargées. 3. Conclusion Proposer une conclusion répondant à la question posée par le titre de l'activité expérimentale Page 6 sur 9

7 Conclusion : Les solutions aqueuses doivent contenir des particules électriquement chargées appelées des ions pour être conductrices. Une solution aqueuse reste cependant électriquement neutre. Activité 3p40 : Comment écrire la formule d un ion? ; ; = 0 ; = = 0 ; = Un atome a un nombre total de charges nul. Un ion a un nombre total de charges différent de zéro. 6. Na + ; Cl. 7. Pour écrire la formule d un ion, on compte la somme algébrique des charges et on place le résultat en exposant de la formule de l atome. (Le chiffre 1 n est pas écrit, il est sous-entendu.) Conclusion : Un ion est une particule électriquement chargée qui ne contient pas le même nombre de proton et d électron. Il existe des ions négatifs (ou anions) et des ions positifs (cations) La charge électrique globale est marquée en indice, en haut à droite Exemples : Ion chlorure Ion sodium Nombre de proton Nombre d électron Charge globale Formule Cl - Na + 15p47 : donner la formule d un ion F. 16p47 : connaitre la composition de certains ions pour les deux. 2. Fe 2+ : 24 ; Fe 3+ : p48 : l atome de calcium et l ion calcium. 1. 0, / = m = 2 fm (femtomètres). 2. L atome possède 20 électrons et 20 charges positives dans le noyau. 3. Il conserve 20 charges positives dans le noyau mais il ne possède plus que 18 électrons. 4. Ca2+. Page 7 sur 9

8 AV : migration des ions Conclusion : Dans une solution aqueuse conductrice, le courant électrique est du à un déplacement d ions. Les ions positifs se déplacent vers la borne du générateur, les ions négatifs se déplacent vers la borne + Cl - Solution de chlorure de sodium (Na + ; Cl - ) Na + 20p33 : le retour des couleurs. 1. et La coloration violette est due à la concentration des ions permanganate négatifs qui ont migré vers A ; la coloration bleue est due à la concentration des ions cuivre positifs qui ont migré vers B. 23p33 : où vont les ions (synthèse) 1. Le courant ne passe pas car le papier est isolant. 2. Le courant passe car le papier est imprégné par une solution ionique. 3. Dans les parties métalliques, le courant est un déplacement d électrons ; dans la solution, le courant est une double migration d ions. 4. Page 8 sur 9

9 III. Bilan. Page 9 sur 9