CH 3 : Les éléments chimiques

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1 CH 3 : Les éléments chimiques I. Les particules de la matière C'est Isaac Newton qui, le premier, a compris vers 1667 que si la Terre tourne autour du Soleil, c'est parce que la matière attire la matière. De même, comme la Lune et la Terre sont toutes deux faites de matière, elles s'attirent l'une vers l'autre. C'est ce qu'on appelle aujourd'hui la loi de la gravitation universelle. Cette loi nous permet de comprendre le mouvement des planètes, des étoiles et des galaxies, et explique aussi pourquoi les objets tombent lorsqu'on les lâche. Mais depuis les années 1930, des astronomes observent que certaines étoiles et galaxies subissent des effets de la gravitation sans qu aucune matière détectable n en soit à l origine. Cette gravitation doit donc être exercée par une matière très inhabituelle car n émettant aucune forme d'énergie mesurable. Cette matière très mystérieuse a été nommée "matière noire". Elle représenterait environ 75% de la matière de l'univers, le reste étant de la matière ordinaire (aussi appelée matière baryonique) composant, entre autre, les planètes et les étoiles et les êtres vivants. I.1 Un peu d'histoire V e siècle av. J.C. : Certains philosophes de la Grèce Antique (Leucippe, Démocrite,...) supposent que la matière ne peut se diviser indéfiniment et qu'elle doit être composée de minuscules particules insécables : les atomes (a-tomos). XVIII e siècle : Antoine Laurent de Lavoisier (chimiste français) décompose des substances comme l eau et montre qu elles sont faites d éléments chimiques simples facilement reconnaissables : John Dalton (chimiste et physicien anglais) déduit que ces éléments chimiques sont en réalité des atomes sphériques ayant une masse et une taille différentes selon l élément chimique. H C Au 1869 : Dmitri Mendeleïev (chimiste russe) classe pour la première fois tous les éléments chimiques alors connus dans un tableau qui deviendra plus tard le tableau périodique des éléments : Joseph John Thomson (physicien anglais) découvre une particule plus petite que l atome : l électron. Il imagine alors l atome à l aide de son modèle de Plum Pudding : des électrons baignant d un un «pudding» chargé positivement. 1 / 7

2 1911 : 1913 : Ernest Rutherford (physicien anglais) démontre que l atome est composé d un petit noyau chargé positivement. Niels Bohr (physicien danois) propose un modèle de l atome : noyau chargé positivement avec autour des électrons chargés négativement : 1932 : 1969 : Ernest Rutherford montre que tous les noyaux atomiques sont faits d'un assemblage de protons. On découvre la présence d'une nouvelle particule électriquement neutre dans les noyaux atomiques : le neutron. On découvre que les nucléons (protons ou neutrons) sont eux-mêmes composés de sous-particules appelées quarks. Exercice 1 : a. Quelle est la formule chimique de l'eau? Combien d'éléments chimiques différents y trouve-t-on? b. Pourquoi le "pudding" du modèle Plum Pudding de J. J. Thomson doit-il être de charge positive? c. Nommer les particules,, et. d. Combien de particules différentes existe-t-il dans le modèle de l'atome de N. Bohr de 1913? e. Quelles sont les particules de la famille des nucléons? f. Combien de quarks trouve-t-on dans un nucléon? I.2 Représentation d'un atome La nature réelle d'un atome (et surtout des particules qui le composent) ne nous sera probablement jamais accessible. Ainsi, on ne pourra jamais se le représenter de manière parfaite (à l'aide de schémas ou autre). Maintenant, il reste néanmoins possible de bien comprendre sa structure et certaines de ses propriétés à l'aide de modèles pourtant imparfaits. Pour les propriétés de l'atome vues au lycée, on utilisera le modèle de Bohr de modèle de Thomson modèle de Bohr I.3 Structure d'un atome Considérons un atome de lithium 7 de symbole : A partir de son modèle de Bohr donné ci-dessous, répondre aux questions de l'exercice Li modèle de Rutherford modèle de Schrödinger Exercice 2 : a. Sachant que les neutrons ont une charge électrique nulle, par quel motif sont-ils représentés sur ce schéma? b. Sachant que les électrons ont une charge négative, quelles sont les particules présentes dans le noyau? Quel nom leur donne-t-on? c. Rechercher, à l'aide du modèle de Bohr de l'atome, à quoi peut bien correspondre chaque chiffre présent dans le symbole de l'atome. d. Quelle est la charge totale de cet atome? Pourquoi? e. Que peut-on alors dire de tous les atomes existants, sachant qu'ils sont tous électriquement neutres? f. Rappeler l'ordre de grandeur de la taille de l'atome et celui de son noyau. 2 / 7

3 I.4 Les particules subatomiques Tous les atomes sont faits à partir de 3 particules : les protons, les neutrons et les électrons. Les principales caractéristiques physiques de ces particules sont données ci-dessous : Exercice 3 : Particule Masse m Charge électrique q (Coulomb) Proton m p = 1, kg q p = + 1, C Neutron m n = 1, kg q n = 0 C Electron m e - = 9, kg q e - = 1, C a. Que peut-on dire de la masse du proton et de celle du neutron? b. Comparer la masse d un nucléon à celle de l électron. c. En physique, la charge élémentaire notée e est une charge électrique de valeur 1, C. Déterminer la charge électrique des trois particules du tableau en fonction de e. d. Pourquoi un atome doit-il, pour être neutre, avoir autant de protons dans son noyau que d'électrons autour? A retenir : Un atome est toujours électriquement... Le proton et l'électron ont des charges électriques parfaitement... Dans un atome, il y a toujours autant d'électrons que de... Le neutron et le proton ont une masse... Le neutron et le proton font partie de la famille des... L'électron a une masse environ 2000 fois plus faible que celle d'un... Le proton est positif, le neutron est... et l'électron est... e est appelé la La notation d'un atome doit permettre de retrouver le nombre de particules de chaque type qui le composent. On utilise l'écriture suivante : A Z X nombre de masse symbole chimique numéro atomique A indique le nombre... Z indique le nombre... X indique le Exercice 4 : a. Donner le symbole complet d'un atome de chlore contenant, entre autre, 17 protons et 18 neutrons. b. Représenter dans le cadre ci-contre le modèle de 3 Bohr de l'atome 2 He. Niels Bohr ( ) 3 / 7

4 II. Les éléments chimiques Il existe plus d'une centaine d'éléments chimiques. On s'intéressera plus particulièrement aux éléments des trois premières lignes de la classification périodique. II.1 Les différents atomes d'un même élément chimique On considère les 4 atomes suivants : atome 1 atome 2 atome 3 atome 4 Exercice 5 : Ne considérer que les noyaux de ces atomes pour répondre aux questions suivantes. a. A l'aide de la classification réduite et du modèle de Bohr donnés ci-dessus, compléter le tableau cicontre. atome 1 Elément chimique de protons de neutrons de nucléons b. A quelle condition deux atomes différents font-ils partie du même élément chimique? atome 2 c. Donner le symbole complet des deux atomes faisant partie du même élément chimique. atome 3 d. Expliquer pourquoi les atomes suivants n'existent pas : C ; 3 Li atome 4 A retenir : Deux atomes sont dits ISOTOPES s ils font partie du même élément chimique (même nombre de protons) mais s ils diffèrent par leur nombre de neutrons. Exercice 6 : Compléter le tableau suivant : 4 / 7 Notation de l atome de protons de neutrons de nucléons d électrons 1 1 H

5 II.2 Les familles d'éléments chimiques Classification périodique Le premier à avoir eu l'idée de classer les éléments chimiques qui composent la matière dans un tableau est le chimiste russe Dmitri Mendeleïev. Depuis, ce tableau a été remanié et complété. Il contient aujourd'hui 118 éléments chimiques. Ce tableau a été réalisé de manière à placer les éléments chimiques d'une même famille dans une même colonne. Les éléments chimique d'une même famille ont des propriétés chimiques voisines. Compléter ce tableau à l'aide de couleurs en tenant compte des critères suivants : Métaux alcalins : colonne 1, hormis l'hydrogène. Ils sont mous, de faible densité et réagissent vivement avec l'eau. Métaux alcalino-terreux : colonne 2. Ils ont des propriétés proches de celles des métaux alcalins mais réagissent de manière moins virulente. Halogènes : colonne 17. Ils forment des sels en réagissant avec les métaux alcalins. On les trouve surtout sous forme de molécules diatomiques très toxiques. Gaz nobles : colonne 18. Ils sont chimiquement inertes. III. Le cortège électronique III.1 La forme ionique d'un atome Un atome est électriquement neutre et possède donc autant de protons dans son noyau que d électrons autour. Avant Après Néanmoins, durant certains processus, l atome peut être amené à perdre ou à gagner des électrons. Il deviendra alors chargé et sera nommé ion. perd un électron Exercice 6 : a. A l'aide des schémas ci-dessus, compléter les tableaux ci-contre. Charge (e) Charge (e) b. Pourquoi l'entité de droite ne peut-elle plus être qualifiée d'atome? c. Qu'aurait-il dû se passer pour que la charge finale de l'ion obtenu soit de + 3? protons neutrons électrons protons neutrons électrons d. Même question pour qu'elle soit de - 2. Charge électrique totale Charge électrique totale 5 / 7

6 A retenir : Exercice 7 : Un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons se charge positivement. Il devient alors un ion positif appelé cation. Un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons se charge négativement. Il devient alors un ion négatif appelé anion. Un atome d oxygène 16 possédant 8 protons dans son noyau capture 2 électrons supplémentaires. a. Déterminer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons dans l ion obtenu. Comment nomme-t-on un tel ion? b. Quelle est la charge électrique globale de cet ion? c. Donner sa notation complète. d. Compléter le tableau ci-dessous : Notation Elément chimique Protons Neutrons Nucléons Electrons Na 32 S Fe N 3 7 III.2 La structure électronique Les électrons présents autour du noyau d un atome se rangent dans des couches appelées couches électroniques. A noter : Les électrons d un atome ou d un ion se rangent toujours au plus près du noyau, mais dans la limite des places disponibles. Noyau Couche K complète avec 2 électrons Couche L complète avec 8 électrons Couche M complète avec 8 électrons Exemple : Considérons un atome de carbone 12 noté 12 6 C. Cet atome possède 6 protons et donc 6 électrons : 2 d'entre eux se rangent dans la couche K et les 4 restants dans la couche L. De manière à éviter d avoir à faire un tel schéma, on écrira la structure électronique de cet atome de la manière suivante : (K) 2 (L) 4 Exercice 8 : Déterminer la structure électronique des entités suivantes : Na : 4 2 He : 5 2 He : Si : O : 6 / Ca :

7 III.3 La règle de l'octet Au cours des transformations chimiques que subissent les atomes, ces derniers cherchent à avoir leur dernière couche électronique complète. Pour y parvenir, ils peuvent alors capturer, partager ou encore perdre un ou plusieurs électrons. Exemple : Lorsqu'on chauffe fortement du magnésium métallique Mg, ce dernier réagit avec le dioxygène de l'air. Lors de cette réaction, chaque atome de magnésium cède deux électrons au dioxygène. Il se forme alors une poudre blanche appelée magnésie (MgO 2) contenant des ions magnésium Mg 2+. Magnésium métallique (atome Mg) 12 Mg : (K) 2 (L) 8 (M) 2 Magnésie (ion 12 Mg 2+ ) 12 Mg 2+ : (K) 2 (L) 8 Après la réaction, l'ion magnésium possède sa dernière couche électronique complète, en accord avec la règle de l'octet. Exercice 9 : Au cours d'une réaction chimique, un atome de chlore 35 réagit avec un atome de sodium 23. Il se forme, entre autre, un cation sodium. a. A l'aide du tableau périodique, donner le symbole des deux atomes de départ. b. En déduire leur structure électronique. c. D'après la structure électronique du sodium, déterminer le nombre d'électrons perdus par cet atome. En déduire le symbole complet de l'ion sodium obtenu. d. Qu'advient-il de cet électron perdu? e. En déduire le symbole complet de l'ion chlorure obtenu lors de cette réaction. Cet ion respecte-t-il aussi la règle de l'octet? Justifier. f. Quel est le nom du composé obtenu après cette réaction? Donner sa formule. Règle du duet et de l'octet : Au cours d une réaction chimique, les atomes perdent ou gagnent un ou plusieurs électrons de manière à obtenir la structure électronique du gaz rare de numéro atomique le plus proche, soit : 2 électrons pour les éléments proches de l hélium 8 électrons pour les autres éléments. Exercice 10 : a. Donner la structure électronique de l'hélium, du néon et de l'argon. b. Expliquer alors pourquoi de tels atomes sont chimiquement inertes. c. Rappeler le nom de la famille de ces éléments chimiques. A retenir : 7 / 7 La dernière couche électronique d'un atome est appelée couche de valence. Les éléments chimiques de la dernière colonne du tableau périodique (gaz nobles) ont tous leur couche de valence complète. Ils ne peuvent donc ni gagner ni perdre d'électrons. C'est pour cette raison qu'ils ne participent à aucune réaction chimique. Ils sont dits chimiquement inertes.