OTM-13 : CONDUCTION ÉLECTRIQUE DES MÉTAUX POURQUOI LES MÉTAUX CONDUISENT-ILS LE COURANT ÉLECTRIQUE?

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1 Objectifs OTM-13 : CONDUCTION ÉLECTRIQUE DES MÉTAUX POURQUOI LES MÉTAUX CONDUISENT-ILS LE COURANT ÉLECTRIQUE? Comparer et interpréter le caractère conducteur de différents solides. Connaître les constituants d un atome. Comparer les ordres de grandeur des dimensions du noyau et de l atome. Tous les solides conduisent-ils le courant électrique? Dans une ligne électrique, les câbles métalliques sont suspendus au poteau par des isolateurs en verre. Pourquoi utilise-t-on ces différents matériaux? Schématisation du circuit électrique Rappel de cinquième : étude de solides conducteurs ou isolants Résultats obtenus en classe de cinquième Solide testé Etat de la lampe Intensité électrique (ma) Acier Fort 250 Argent Fort 250 Carbone moyen 160 Cuivre Fort 250 Liège nul 0 Sel nul 0 Sucre nul 0 Sulfate de cuivre nul 0 Zinc Fort 250 Nickel Fort 250 Interprétation : Tous les solides ne conduisent pas le courant. En revanche, tous les métaux conduisent le courant. Conclusion : Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. Tous les métaux conduisent le courant électrique. Pour expliquer le phénomène de conductivité ou non d un solide, on doit connaître la structure de l atome.

2 Perception de l atome au fil des siècles Activité documentaire : l atome : un modèle pour comprendre la chimie Dés 420 avant JC. Démocrite (philosophe grec) a l intuition de l existence des atomes et invente leur nom («atomos» en grec qui signifie insécable). Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu il faut attendre le début du XIX ème siècle pour que cette idée reprenne vie.. En 1805, John Dalton annonce au monde l existence des atomes.. En 1832, J. J. Thomson découvre l un des composants de l atome. Il s agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons.. Au début du XX ème siècle, l ambition des physiciens est de proposer un modèle de l atome en précisant la répartition de la charge électrique à l intérieur de celui-ci.. En 1904, J. J. Thomson partant de l idée que l atome est électriquement neutre, pense qu il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d une sphère) et qu elle est parsemée d électrons (pudding de Thomson).. En 1910, E. Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il en déduit de son existence que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu il appelle «noyau». Après «un petit calcul» il trouve que la majorité de la masse de l atome est concentrée dans un noyau minuscule. Les dimensions du noyau sont de l ordre de m ( fois moins que les dimensions de l atome) et sa charge totale est un multiple entier de la charge de l électron (au signe près).. E. Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le soleil tout comme celle de l atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l essentiel de la masse de l atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites Depuis, d autres modèles plus complexes ont permis d expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l atome est l aboutissement d une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu on s en fait ont profondément évolué. Nous retiendrons pour la classe de troisième un modèle simple constitué d un noyau autour duquel gravitent les électrons qui forment un nuage électronique. Il est nécessaire d élaborer un modèle pour pouvoir expliquer différents phénomènes et en prévoir les conséquences. Celles-ci, soumise à l expérience, permettent de valider le modèle, de l améliorer ou de le rejeter. Cependant, il n est pas toujours nécessaire d utiliser le modèle le plus complexe pour expliquer de façon simple un certain nombre d observations. Il suffit de biens connaître les limites. Texte construit à partir de Sciences et Avenir de décembre 1994, Sciences et Vie Junior d octobre 1998 Questions 1. A partir du texte, dessiner le modèle de l atome proposé par J. J. Thomson 2. De la même façon, dessiner le modèle de l atome proposé par E. Rutherford Modèle de J. J. Thomson Modèle de E. Rutherford Modèle de Niel Bohr 3. À partir des indications de E. Rutherford, déterminer un ordre de grandeur de l atome x = m 4. Quelle est la partie chargée positivement de l atome? le noyau de l atome 5. Quelles sont les particules de l atome chargées négativement? Les électrons 6. Cite un point commun entre le modèle planétaire de l atome et le système solaire réel le Soleil est très petit par rapport au système solaire lui-même. De la même façon le noyau est très petit par rapport à l atome lui-même 7. Cite deux différences entre le modèle planétaire de l atome et le système solaire réel

3 a) les planètes du système solaire tournent «à plat» dans un même plan appelé «plan de l écliptique», tandis que les électrons tournent «en volume» autour du noyau (ce qui explique pourquoi les atomes ont une forme sphérique). b) le noyau et les électrons sont chargés électriquement : ce n est pas le cas du Soleil et des planètes. 8 Réalise une frise chronologique de l évolution du modèle de l atome. Je retiens : Un atome est constitué d un noyau autour duquel gravitent les électrons qui forment un nuage électronique La structure de l atome. Rappel : Multiples et sous multiples : A une unité sont associés des multiples ou sous multiples dont l'identification est donnée à l'aide du vocabulaire suivant Constitution de l atome L atome est constitué d un noyau chargé positivement autour duquel les électrons chargés négativement sont en perpétuel mouvement (nuage électronique). Il est électriquement neutre. Dimension de l atome Un atome est constitué d un noyau de diamètre de l ordre m qui se situent dans une sphère de diamètre de l ordre m. Le diamètre du noyau est donc fois plus petit que celui de l atome. Les atomes ne peuvent donc pas être vu à l œil nu, car leurs dimensions sont de l ordre du nanomètre. Les différentes particules contenus dans les atomes 1. Les particules fondamentales Un atome est constitué par un ensemble de trois particules élémentaires : L électron ; le proton et le neutron

4 2. Les électrons Ils sont tous identiques. Ils sont chargés négativement et chaque électron est porteur d une charge élémentaire. Le nombre d électrons caractérise le type d atome étudié. L ensemble des électrons d un atome est appelé «nuage électronique» ou «cortège électronique». 3. Le noyau Il est chargé positivement. Il est constitué de protons et de neutrons. Le nombre de charge élémentaire (protons) est appelé Z. Toute la masse d un atome peut être considérée comme appartenant au noyau. La masse et la charge d un noyau varient en fonction de l atome étudié. Caractéristiques des 3 particules Particules proton neutron électron Symboles p n e- Charges électriques Une charge électrique positive Pas de charge électrique Une charge électrique négative L atome L assemblage des trois sortes de particules élémentaires peut constituer n importe quel élément naturel ou non (118 atomes). La charge totale d un atome est nulle : un atome est électriquement neutre. La charge électrique positive du noyau compense la charge électrique négative de l ensemble des électrons de l atome. Un atome est électriquement neutre et il est composé de deux parties : Un noyau chargé positivement constitué de Z protons et de (A Z) neutrons Z électrons chargés négativement. L atome est la plus petite quantité d un élément pouvant entrer en combinaison chimique, il n est jamais détruit au cours de la réaction. Symbole chimique de l atome Tous les atomes sont représentés par un symbole, c est une lettre majuscule éventuellement suivie d une minuscule. Exemple : C pour le carbone, N pour l azote et Na pour le sodium. Représentation de l atome Je retiens : Un atome est constitué par un ensemble de trois particules fondamentales. Il est constitué d un noyau chargé positivement (composé de protons et de neutrons) entouré par des électrons chargé négativement en perpétuel mouvement. La charge négative des électrons compense la charge positive du noyau : un atome est électriquement neutre, sa charge est nulle. Le diamètre du noyau est fois plus petit que celui de l atome.

5 Comment a-t-on découvert la structure de l atome? Complète le tableau suivant: Nom de l atome aluminium Fer zinc Or Symbole de l atome Al Fe Zn Au Nombre de protons Nombre de neutrons Nombre d électron Corrige les affirmations fausses: L électron porte une charge électrique élémentaire négative oui Tous les atomes ont le même noyau non (Z différent) Le noyau d un atome porte une charge électrique égale à celle de l ensemble des électrons de l atome oui Un atome est électriquement neutre oui Problème d échelle: L atome d hydrogène peut être considéré comme une sphère de 0,1 nm de diamètre, avec au centre un noyau 10 5 fois plus petit. Si on donne à l atome la taille d un rond point de 100 mètres de diamètre, quel serait le diamètre de la sphère à placer au centre pour figurer le noyau? 100 / 10 5 = 10 2 x 10-5 = 10-3 m soit 1 mm Est-il justifié de dire que l atome est surtout constitué de vide. Calculer le volume du noyau et celui supposé pour l atome. Volume du noyau : Volume du atome : Le volume du noyau est donc.. ( ) plus grand que le volume du noyau et comme la matière constitue principalement le noyau, on peut en conclure qu un atome est surtout constitué de vide. Un grand nombre: La masse d un atome de carbone est m = 1,99 x g. Quel nombre N d atomes y a-t-il dans une masse M = 12 g de carbone. N = 12 / 1,99 x =... Soit un atome de diamètre d = 0,25 nm. Son noyau de diamètre d = 5 x m est assimilé à un noyau de cerise de diamètre d = 5 mm. Calculer le diamètre d de la cerise correspondant à l atome. noyau 5 x x 10-3 x = (25 x 10-7 x 5 x 10-3 ) / 5 x diamètre 0.25 x 10-9 x x = 25 x 10-3 x 10-7 x = 25 x 10 5 m soit...

6 Comment le courant électrique circule-t-il dans les métaux? 1- Un exemple : le cuivre Prenons comme premier exemple de métal le cuivre, puisque la plupart des fils électriques sont justement faits en cuivre. L image ci-contre représente la surface du cuivre, grossie environ cent millions de fois au moyen d un appareil appelé «microscope électronique». À cette échelle, on voit que le cuivre est un empilement de petites taches, régulièrement rangées les unes à côté des autres. Les physiciens ont démontré que chacune de ces taches représente un atome de cuivre. Si le cuivre est pur, tous les atomes qui le composent sont absolument identiques entre eux. Les physiciens et chimistes ont donné aux atomes de cuivre le symbole chimique Cu. Les atomes de cuivre sont au contact les uns des autres Si on s intéresse à l atome de cuivre : son noyau a une charge électrique de valeur + 29 et ses électrons ont une charge électrique de valeur 29 (chaque électron a une charge égale à 1 et il y a 29 électrons). Au total l atome de cuivre est bien neutre : = 0. Séquence 3 Les physiciens ont constaté que particules de charge négative sont attirées par celles de charge positive (c est une loi de la nature) ; les électrons sont donc attirés par le noyau, et c est pour cette raison qu ils restent autour de lui et ne s en éloignent pas beaucoup Donc, sur ces 29 électrons, tous ne sont pas à la même distance du noyau. Ceux qui en sont plus proches sont plus fortement attirés par le noyau, tandis que ceux situés à la périphérie sont moins fortement attirés, et peuvent ainsi passé d un atome à un autre, ces électrons sont appelés électrons libres. Ces électrons ont un mouvement désordonné et se déplacent en tous sens. En bleu, les électrons libres : porteurs de charge négative. En gris, les atomes ayant perdu un électron et constituant ainsi une charge positive. Lorsque le conducteur est soumis à une tension électrique, les électrons libres vont se déplacer d atome en atome dans le même sens dans un mouvement d ensemble de la borne négative du générateur vers sa borne positive, c est-à-dire dans le sens opposé au sens conventionnel du courant Deux remarques pour terminer cette séance : - le générateur met en mouvement les électrons (c est donc bien lui qui crée le courant électrique), mais ce n est pas lui qui fabrique les électrons libres : ils sont présents naturellement dans les atomes de cuivre. - Le sens réel du courant électrique dans les métaux est de la borne du générateur vers la borne +. C est donc le sens inverse du sens conventionnel Je retiens : Dans un conducteur métallique, le courant électrique est dû à une circulation d électrons libres qui se déplacent dans le sens opposé au sens conventionnel du courant électrique.

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