De l'atome aux éléments

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1 De l'atome aux éléments )Description de l'atome.)activité On représente l atome par une sphère dont le centre est occupé par le noyau qui est fois plus petit que l atome. Presque toute la masse de l atome est concentrée dans le noyau. Le noyau comprend des charges positives, les protons Autour du noyau gravitent des électrons e- porteurs de charges négatives. L atome est neutre, il comprend autant de charges positives que de charges négatives. Placez la légende sur le schéma de gauche à l aide du texte cidessus. Distribution de la classification périodique. Question : représentez au brouillon l'atome d'hélium..)un peu d'histoire Rutherford Historique Démocrite (-40) a l intuition que la matière est formée d atomes. Au Ier siècle av-jc Lucrèce tente de démontrer l existence de l atome. Atome vient de tomos qui signifie couper et le préfixe a signifie qu on ne peut couper, insécable. L atome est décrit comme la particule la plus petite possible. C est la théorie des quatre éléments d Aristote qui va s imposer jusqu au XIXe siècle. La combinaison de la terre, de l eau, de l air et du feu explique la composition de la matière. En 5, John Dalton reprend la théorie atomique car elle rend bien compte de ses observations. En, J.J. Thomson découvre les électrons. En 904 il décrit l atome comme des ensembles de charges positives occupant une petit volume au milieu d électrons. L atome n est plus insécable! C est le modèle du pudding de Thomson. Chaque charge positive est égale à chaque charge négative, au signe près : En 9, Rutherford montre que la matière contient essentiellement du vide et que le noyau qui est fois plus petit que l atome représente presque toute sa masse. Rutherford décrit un atome dont le modèle est calqué sur celui des planètes. La masse du soleil représente 99 % de la masse du système solaire et son diamètre est très petit par rapport à celui du système solaire. Le noyau est au centre et les électrons tournent autour sur des trajectoires fixes : Ce modèle ne permet pas d expliquer de nouvelles observations. On doit admettre que la trajectoire des électrons est plus compliquée. Le modèle actuel est très complexe et ne peut plus être représenté par un dessin. Néanmoins, pour expliquer la physique et la chimie élémentaire il est suffisant d admettre un modèle de l atome

2 avec un noyau central positif très petit et des électrons qui tournent autour en formant un nuage sphérique. On élabore un modèle conformément aux phénomènes observés, il doit permettre de prévoir d autres phénomènes. On modifie le modèle au fur et à mesure des observations. Répondre aux questions suivantes : De quand date l idée de l atome : L idée de l atome date de Démocrite 40 av-jc. Quand cette idée a-t-elle été reprise : L idée de l atome n a été reprise qu au XIXe siècle. Pourquoi le terme atome est-il impropre : L atome contient des particules différentes que l on peut séparer. Que peut-on dire de la comparaison entre la masse des électrons et celle du noyau : Les électrons sont très légers par rapport au noyau. Que peut-on dire de la dimension du noyau comparée à celle de l atome : Le noyau est fois plus petit que l atome. Comparer le nombre de particules positives au nombre d électrons dans l atome : Dans un atome il y a autant de particules positives que de particules négatives..3)observation des atomes Observation au microscope à champ proche On déplace une pointe ultrafine au dessus d une surface. Un système maintient constante la distance de la pointe à la surface. La force exercée sur la pointe est enregistré : Surface étudiée Avancement de la pointe Balayage Distance pointe-surface = 0, mm Par quelle figure géométrique a-t-on modélisé l atome : On a représenté l atome par une sphère.

3 .4)Ce qu'il faut retenir de l'atome... Taille comparée terre H Masse concentrée dans noyau On représente l atome par une sphère dont le centre est occupé par le noyau qui est fois plus petit que l atome. Presque toute la masse de l atome est concentrée dans le noyau. Le noyau comprend des charges positives, les protons Autour du noyau gravitent des électrons e- porteurs de charges négatives. L atome est neutre, il comprend autant de charges positives que de charges négatives. Un élément est caractérisé par son numéro atomique. Celui-ci correspond au nombre de protons présent dans le noyau. Exemple de notation : Vidéo de la structure du fer Donner la structure de l'atome d'hydrogène : proton 0 neutrons électrons Donner la structure de l'atome de carbone : 6 protons 6 neutrons 6 électrons.5)masse d'un atome Dans le paragraphe précédent nous avons vu que l'essentiel de la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. Masse d'un proton :, kg Masse d'un neutron :, kg Masse d'un électron : 9,9.-3 kg Calculer dans le cas de l'atome de carbone la masse du noyau : Le noyau de l'atome de carbone comporte 6 protons et 6 neutrons car A= m(noyau)=6x, x, =, kg Calculer la masse représentée par la totalité du cortège électronique :

4 m(électrons)=6x9,9.-3 =5, kg masse noyau Calculer le rapport et discuter l'affirmation suivante : L'essentiel de la masse masse electrons est concentrée dans le noyau. 6 masse noyau,009. = = masse electrons 5,465. Le noyau est environ 3600x plus lourd que l'enssemble du cortège électronique. L'approximation selon laquelle l'essentiel de la masse est contenue dans le noyau est donc exacte. )L'élément chimique.)les isotopes Vous avez déjà entendu parler du carbone 4, utilisé pour dater des objets anciens. Le carbone 4 est un des isotopes du carbone. Nous allons préciser cette notion d'isotope, en prenant pour exemple le lithium. Le document ci-contre représente deux atomes isolés de lithium, les électrons étant représentés immobiles (bien qu'ils ne le soient pas en réalité). a) Complétez la légende du doc. en retrouvant l'identité de chaque particule. b) Déterminez le numéro atomique de chacun des deux atomes. Z=3 c)comptez leur nombre de neutrons. Il y a 3 neutrons pour le premier et 4 pour le second d)déterminez leur nombre de nucléons. 6 nucléons pour le premier et 7 pour le second. e) Ces deux atomes sont-ils identiques? En quoi diffèrent-ils? Donnez leur représentation symbolique. Ces deux atome diffèrent ne diffèrent pas par le numéro atomique z=3 mais par leur nombre de masse. f) Sachant que ces deux atomes sont isotopes, donnez une définition de l'isotopie. Définition : Des atomes ayant le même numéro atomique mais les nombres de nucléons A différents sont des isotopes. Des isotopes ont le même nombre d électrons, mais des nombres de neutrons différents. Remarque : Des atomes isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. Ils sont désignés par le même nom et par le même symbole. Seule change l indication du nombre de nucléons. Abondance isotopique : De nombreux atomes possèdent plusieurs isotopes naturels. Chaque isotope est présent dans des proportions connues, dépendant de l atome considéré. Le tableau suivant donne les abondances de différents isotopes en fonction du nombre de nucléons. Carbone (C) Z=6 Azote (N) Z=7 Oxygène (O) Z= A= 9.9 % A=3. % A=4 Traces 99.6 % A=5 A=6 A=7 A= 9. % 0.05 % 0.5 % 0.4 %

5 Exercice : Exercice : Le fer possède 4 isotopes. Le tableau suivant Le magnésium (Z=) possède trois isotopes. indique les abondances relatives de chacun Le tableau suivant indique les abondances d eux. relatives de chacun d eux. a)quel est l isotope le plus abondant? b)sur 00 atomes de fer, combien trouve t-on d atomes de chaque isotope en moyenne? c)calculez la masse approchée de 00 atomes de fer. Le fer peut former des ions Fe + et Fe3+. Quels sont les compositions possibles pour ces deux ions? Donnée : mn=mp= kg a)quel est l isotope le plus abondant? b)donnez la composition atomique des trois isotopes. c)indiquez trois compositions possibles pour l ion magnésium II. d)calculez la masse approchée de 0 atomes des magnésium. Donnée : mn=mp= kg.)rappel sur les ions..)les ions positifs sont des atomes qui ont perdu,, ou 3 électrons. Exemple pour l ion Lithium qui perd un électron. anim Deux électrons (porteurs de charges négative) Le noyau porte trois charges positives. ) ) 3) 4) 5) Faites le bilan des charges de l ion représenté au-dessus. Nombre de charges positives? 3 Nombre de charges négatives? L ion est-il électriquement neutre? Non Quelle est la charge globale de l ion lithium? + Quel symbole pourrai-t-on donner à cet ion? Li+ Exemple pour l ion Magnésium : anim L atome de magnésium possède électrons. Lorsqu il se transforme en ion il perd deux electrons. Faites un schéma de l ion magnésium en vous inspirant du schéma ci-dessus.

6 ) ) 3) 4) 5) Faites le bilan des charges de l ion représenté au-dessus. Nombre de charges positives? Nombre de charges négatives? L ion est-il électriquement neutre? non Quelle est la charge globale de l ion magnésium? + Quel symbole pourrai-t-on donner à cet ion? Mg+..)Les ions négatifs sont des atomes qui ont gagné,, ou 3 électrons. anim Exemple : pour l ion fluor qui gagne un électron. Indication : l atome de fluor a 9 électrons. Complétez le schéma ci-dessous : électrons (porteurs de charges négative) Le noyau porte. charges positives. ) ) 3) 4) 5) Faites le bilan des charges de l ion représenté au-dessus. Nombre de charges positives? 9 Nombre de charges négatives? L ion est-il électriquement neutre? non Quelle est la charge globale de l ion fluor? Quel symbole pourrai-t-on donner à cet ion? F- Exemple : (complétez le tableau suivant en utilisant la classification périodique qui vous a été distribuée) Nombre de charges positives négatives Atome de Na Atome de 7 7 Cl Ion Na+ Ion Cl 7 Activité : Classez les ions suivant dans le tableau ci-dessous. Il faut que le nom de l ion corresponde. F-, Na+, Cu+, Fe+, Cl-, Br-, Fe3+, Zn+, Ag+, O-, S-, Al3+ Zinc II, Argent I, Sulfure, Sodium, Fluorure, Chlorure, Cuivre II, Oxyde, Bromure, Fer II, Fer III, Aluminium III Anions Nom Ion Fluorure Ion Chlorure Ion Bromure Ion oxyde Ion Sulfure Cations - F ClBrOS- Nom Ion Fer III Ion Aluminium III Ion Zinc II Ion Argent I Ion Fer II Ion Cuivre I Ion Sodium Fe3+ Al3+ Zn+ Ag+ Fe+ Cu+ Na+

7 Activité : L oxyde de cuivre est un solide noir qui contient des ions cuivre II Cu+ et des ionso-. Le numéro atomique du cuivre est de Z=9. Celui de l oxygène est Z=. Dans la nature l atome de cuivre possède deux isotopes : Cu Cu 9 9 a) Que signifie le + en exposant dans Cu+? b)combien d électron possède l atome de cuivre? L ion Cu+? c)en tenant compte des deux isotopes du cuivre, indiquez deux compositions possibles pour l ion Cu+. Donnez le nombre de protons d électron et de neutrons. d)combien d électron possède l atome d oxygène? L ion Oxyde?.3)corps simples, corps composés Définition : Un corps simple ne contient qu un élément chimique (O, H, He ). Un corps composé contient plusieurs éléments différents. La lecture de la formule chimique permet de connaître quels sont les éléments présents. Exemple : NaCl, CO, CO, HO.4)La transformation chimique : Exemple du cuivre. Conclusion : Au cours d une des transformation chimique, les éléments chimiques se conservent. Aucun n élément n apparaît ni ne disparaît.

8 3)Structure electronique 3.)Les couches électroniques Au cours du XX ème siècle les scientifiques ont élaboré un modèle de l atome beaucoup plus riche que celui de Rutherford, permettant d interpréter la formation des ions et des molécules. Selon ce modèle les électrons de l atome sont repartis en différentes couches électroniques. Ces couches sont désignées par des lettres : Couche K Couche L Couche M Couche N Niels Bohr (physicien Danois) La couche K correspond aux électrons les plus proches du noyau, (5-96) a montré que les la couche L a des électrons plus lointains, la couche M a des électrons se situent sur électrons encore plus lointains. différentes couches électroniques. 3.)Nombre d'électrons par couches Principe de Pauli : Chaque couche ne peut contenir qu un nombre défini d électrons. La couche de numéro n contient au maximum n électrons Couche. K L M Nombre maximal d électrons de la couche. 3.3)Couche saturée ou non Une couche est dite saturée si elle contient son nombre maximal d électrons. Exemple : Si la couche L contient électrons elle est saturée. Si elle contient 5 électrons elle n est plus saturée. Il reste trois places disponibles. 3.4)Règle de remplissage des couches électroniques Donner la structure électronique d un atome c est indiquer le nombre d électrons sur chaque couches. Pour représenter cette structure, on place la lettre correspondant à chaque couche entre parenthèse et on indique le nombre d électrons présents sur la couche en exposant. Les niveaux vides ne sont pas indiqués. Les électrons sont repartis sur la première couche, c est a dire la couche K. Une fois qu elle est saturée, on passe à la couche L, et ainsi de suite. On procède ainsi jusqu'à ce que tous les électrons soient repartis. 3.5)Couches externes et couches internes La couche externe est la dernière couche remplie. Les autres couches sont appelées internes. Remarque :La couche externe contient les électrons les plus éloignés, donc les moins liés au noyau. Elle joue un rôle fondamental en chimie. Pour prévoir les transformation mettant en jeu un

9 élément, il est essentiel de connaître le nombre d électrons sur la couche externe de l atome. Activite (structure électronique) : Complétez le tableau Nom Numéro atomique Structure électronique Hélium Z= ( K ) on Z= ( K ) ( L ) Argon Z= ( K ) ( L ) ( M ) Oxygène Z= ( K ) ( L )6 Sodium Z= ( K ) ( L ) ( M ) Activite Le tableau ci-dessous est une vue partielle du haut de la classification périodique des éléments. Complétez le tableau n en rajoutant sous les symboles chimiques la structure électronique correspondante. (de la même manière que pour l élément fluor) H He (K) (K) Li Be (K)(L) (K)(L) 3 6 N (K)(L)4 O (K)(L)5 4 Al Mg 4 7 C (K)(L)3 4 Na 6 B 3 6 P 0 (K)(L)7 (K)(L) F (K)(L)6 3 5 Si 9 9 S Cl Ar (K)(L)(M) (K) (L) (M) (K)(L)(M) (K) (L) (M) (K) (L) (M) (K) (L) (M) (K) (L) (M) (K) (L) (M) 7 Activite Nombre ecouche externe Nombre ecouche interne Nombre ecouche externe H He Na Nombre ecouche interne Li Mg Be Al 3 B 3 Si 4 C 4 P 5 N 5 S 6 O 6 Cl 7 F 7 Ar

10 )Quels sont les éléments dont la couche externe est saturée? Hélium, Néon, Argon )Quel sont les éléments dont la couche externe n a qu un seul électron? Hydrogène,Lithium, Sodium 3)Les atomes H, Li, et Na donnent les ions monoatomiques H+, Li+, Na+. Ces atomes ont-ils perdu ou gagné un électron? Donnez la structure électronique de chacun des ces ions. La couche externe est elle saurée? Ces atomes ont tous perdu un électron. H+ : (k)0 Li+ : (K) Na+ : (K)(L) Les couches externes de tous ces ions sont saturées. 4)Les atomes F, Cl, donnent les ions monoatomiques F-, et Cl-. Ces atomes ont-ils perdu ou gagné un électron? Donnez la structure électronique de chacun des ces ions. La couche externe est elle saurée? Ces atomes ont tous gagné un électron. F- : (k)0 Cl- : (K)(L) Les couches externes de tous ces ions sont saturées. 5)Les atomes Be, Mg, donnent les ions monoatomiques Be+, Mg+. Ces atomes ont-ils perdu ou gagné deux électron? Donnez la structure électronique de chacun des ces ions. La couche externe est elle saurée? Ces atomes ont tous gagné deux électrons. Be+ : (K) Mg+ : (K)(L) Les couches externes de tous ces ions sont saturées. 6)Comparez les structures des ions que vous venez de déterminer avec la structure des éléments de la colonne des gaz nobles. Que remarquez vous? Proposez une interprétation. Tous les ions qui se sont formés ont la structure du gaz noble le plus proche. On peut supposer que les atomes perdent ou gagnent des électrons afin d'atteindre la structure du gaz noble le plus proche. 3.6)Règles de stabilité des éléments 3.6.)Les gaz nobles C est une catégorie particulière d éléments. On dit qu ils sont chimiquement inertes ou chimiquement stables. Ils ne participent que rarement à des réactions chimiques. Ils restent sous forme atomique et on ne les rencontre ni sous forme d ions ni dans le molécules. Les gaz nobles sont les éléments chimiques les plus stables. 3.6.) Structure des gaz nobles. Donnez la structure électronique des éléments suivants : Z=? Structure Nom électronique Z= ( K ) Helium Nombre d e- sur la couche externe? on Z= ( K ) ( L ) Argon Z= ( K ) ( L ) ( M )

11 3.6.3)Stabilité des éléments. A l exception des gaz nobles les éléments n existent pas naturellement sous forme isolée, car sous cette forme ils ne sont pas stables. Ils cherchent à adopter la structure électronique d un gaz noble. Très important : Pour augmenter leur stabilité, les éléments chimiques adoptent la même structure électronique que le gaz noble de numéro atomique le plus proche. Exemple : Le lithium ( (K)(L) )va perdre un électron pour adopter la structure électronique de l hélium ( (K) ). Complétez la grille suivante : Structure électronique Cet élément va-t-il perdre ou gagner des e- pour être plus stable? Nombre d eperdus ou gagnés? Li Mg O F Cl S Na Be (K)(L) (K)(L)(M) (K)(L)6 (K)(L)7 (K)(L)(M)7 (K)(L)(M)6 (K)(L)(M) (K)(L) perdre perdre Gagner Gagner Gagner Gagner Perdre Perdre Structure du gaz Nombre de l ion électronique de noble ayant la d électrons formé? l ion formé? même sur la couche structure? externe? Li+ Mg+ OFClSNa+ Be+ (K) (K)(L) (K)(L) (K)(L) (K)(L)(M) (K)(L)(M) (K)(L) (K) He Ar Ar He Questions : Citez les noms des différents gaz nobles. Quels sont les symboles de ces éléments? He,,Ar,Kr,Xe,Rn Quelle est la propriété chimique remarquable des gaz nobles? Les gazs nobles ne réagissent que très peu. Que signifie qu un élément reste sous forme atomique? Il ne perd ni ne gagne d'électrons. Il ne se transforme pas en ion. L Hindenburg était un dirigeable Allemand gonflé au dihydrogène (un gaz qui réagi violemment avec le dioxygène). C est la reaction entre ces deux gaz qui a provoqué l explosion du dirigeable àlakehurst aux USA en 937. Quel est le gaz utilisé aujourd hui pour gonfler les dirigeables? Pourquoi? Le gaz utilisé est de l'hélium. C'est un gaz inerte qui ne risque pas de s'enflammer )Stabilité des éléments.règles du duet et de l'octet Règle du duet : Les éléments de numéro atomique proche de celui de l hélium adoptent sa structure électronique : (K). Ils ont alors deux électrons sur leur couche externe. Règle de l octet : Les Autre éléments de numéro atomique inférieur à adoptent la structure du néon ou de l argon. Ils portent donc électrons (un octet) sur leur couche externe.