Chapitre 2 - Des atomes aux ions -

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1 Chapitre 2 - Des atomes aux ions - I) Le modèle actuel de l'atome: 1. Le modèle de l atome à travers le temps Pistes de réflexion 1. Trouver les années de naissance des quatre personnages, en effectuant éventuellement des recherches sur internet. 2. Sachant que ces personnages ont énoncé leurs phrases dans le même ordre que leurs années de naissance, attribuer à chacun l une des quatre dates proposées. 3. Restituer à chaque personnage les bonnes paroles. 4. Associer le titre qui correspond à chacun des modèles. 2. Constitution de l'atome flash/3_phch_atom_modelsatome.swf Caractéristiques des constituants de l'atome a. Remplir le tableau suivant:

2 Constituants de l'atome Masse Charge b. Commenter les valeurs du tableau. c. Comparer la masse d'un proton ou d'un neutron avec celle d'un électron. Conclure. NB: La charge élémentaire est notée e et vaut : 1,6 x C ( C: coulomb) 3. Notation symbolique du noyau Base de travail1 Notation symbolique du noyau d'un atome de cuivre a. En vous aidant de l'exemple précédent, donner la notation symbolique du noyau d'un élément chimique de symbole chimique X de nombre de nucléons A ( encore appelé nombre de masse) et de nombre de protons Z. b. Combien de neutrons contient le noyau de l'atome de cuivre précédent? Généraliser en appelant N le nombre de neutrons. c. Application Donner le nombre de protons et neutrons contenus dans les noyaux suivants, préciser pour chacun le nom de l'élément chimique. Nom de l'atome Notation symbolique Nombre de protons Nombre de neutrons d. Qu'ont en commun deux atomes ayant le même nom? On dit qu'ils appartiennent au même élément chimique. II) Les caractéristiques de l'atome Base de travail 2 La structure de l'atome vue par un de nos plus brillants physiciens «Lorsque j'entrais au laboratoire dirigé par Joliot au Collège de France, la connaissance que j'avais de la structure de la matière ne devait guère dépasser celle acquise par un lycéen de 1993 abonné à de bonnes revues de vulgarisation. Je les résume rapidement : la matière est composée d'atomes, eux-mêmes constitués de noyaux entourés d'un cortège d'électrons. Les noyaux portent une charge électrique positive qui est de même valeur et de signe opposé à la charge des électrons qui gravitent autour du noyau. La masse d'un atome est concentrée dans le noyau. (...) Le noyau de l'hydrogène, ou proton, porte une charge électrique positive. Celui-ci a un compagnon, le neutron, qui est neutre électriquement et a sensiblement la même masse. Tous deux s'associent de façon très compacte pour constituer les noyaux qui sont au cœur des atomes peuplant notre univers. Ils s'entourent d'un cortège d'électrons dont la charge compense exactement celle des protons. En effet, la

3 matière est neutre, sinon elle exploserait en raison de la répulsion qu exerce l'une sur l'autre des charges de même signe, positif ou négatif. Il faut avoir en tête l'échelle des dimensions. Le rayon du noyau d'un atome d'hydrogène est voisin de m et celui de l'atome d'hydrogène est de m. On voit donc que presque toute la masse d'un atome est concentrée en un noyau central et que, loin sur la périphérie, se trouve un cortège qui est fait de particules de charge électrique négative, les électrons. C'est ce cortège seul qui gouverne le contact des atomes entre eux et donc tous les phénomènes perceptibles de notre vie quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au cœur des atomes, en constituent la masse.» Georges CHARPAK, Extrait de La vie à fil tendu 1. Structure lacunaire de l'atome a. De quoi est constitué le noyau de l atome d hydrogène? b. En utilisant les données du texte, effectuer le rapport entre la taille du rayon de l'atome et la taille du rayon du noyau d'hydrogène. Le terme lacunaire pour définir l atome est-il justifié? 2. Electroneutralité de l'atome a. Retrouver dans le texte, la phrase qui reprend l'idée qu'un atome est électriquement neutre. b. En déduire le nombre d'électrons du nuage électronique de l'atome de cuivre précédent. c. Que représente le numéro atomique Z pour un atome? Z est également nommé nombre de charge, cette appellation est-elle justifiée? 3. Masse de l'atome a. A partir des données suivantes : mp=1, kg, me=9, kg, justifier la phrase de G.CHARPAK «On voit donc que presque toute la masse d un atome est concentrée en un noyau central» Vous pourrez faire les calculs en prenant l atome d hydrogène. b. A est aussi appelé nombre de masse. Cela est-il justifié? En déduire l'écriture de la masse d'un atome en fonction de la masse de ses nucléons et de A. 4. Les isotopes Base de travail 3 «Le noyau est donc constitué de protons et de neutrons selon une loi bien simple: il faut autant de protons qu'il y a d'électrons en orbite autour du noyau pour que la charge électrique de l'atome soit nulle. Quand au nombre de neutrons, il pourra varier de quelques unités pour un même élément : on aura alors plusieurs isotopes de masses un peu différentes, mais de propriétés chimiques très voisines puisque celles-ci sont essentiellement dues au nuage électronique de l atome.» «Le proton et le neutron ne sont pas élémentaires. Une poupée gigogne, à laquelle on a donné le nom de quark, est cachée dessous. Comme le noyau d oxygène contenait huit protons et huit neutrons, le proton et le neutron contiennent chacun trois quarks. Mais le comportement de ces quarks est déconcertant: ils restent dissimulés à l intérieur de grosses particules comme le proton et le neutron» Extrait de Le rêve des physiciens, J.-P PHARABOD et B. PIRE, Éd. O. Jacob; 1993 a. Deux atomes de même symbole chimique X sont isotopes. Utiliser le texte pour en donner une définition. b. Des atomes isotopes d'un même élément ont-ils des propriétés chimiques différentes? Pourquoi? c. Le carbone possède 3 isotopes. Les donner. 5. Les ions monoatomiques Voici l'étiquette d'une bouteille d'eau minérale:

4 Travail à effectuer a. Sachant qu'un ion monoatomique est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, nommer et écrire les ions monoatomiques présents sur l'étiquette de la bouteille. b. Qu'est-ce qui différencie l'écriture d'un ion monoatomique par rapport à celle de l'atome? c. Sachant que l'atome de calcium a pour numéro atomique Z = 20 et pour nombre de masse A= 40, comparer le nombre de protons et d'électrons de l'ion calcium par rapport à l'atome. Définir un ion négatif. ( anion) d. Sachant que l'atome de chlore a pour numéro atomique Z = 17 et pour nombre de masse A= 35, comparer le nombre de protons et d'électrons de l'ion chlorure par rapport à l'atome. Définir un ion positif. ( cations) e. Qu'ont en commun les ions monoatomiques et les atomes correspondants? Comment cela se voit-il? III. Répartition des électrons en couches On étudiera les éléments dont le numéro atomique est compris entre 1 et 20 au maximum. 1. Les couches électroniques des atomes Base de travail 4 Il n est pas possible de localiser un électron sur une trajectoire. Par contre, on peut faire une approximation sur sa présence en un point de l espace. Dans le cas des atomes comportant plusieurs électrons, il est possible de leur arracher un électron. Mais dans ce cas, se pose le problème de la liaison de l électron avec l atome. Les électrons les plus proches du noyau sont fortement liés avec celui-ci donc il est difficile de les enlever tandis que les électrons les plus éloignés du noyau sont faiblement liés avec celui-ci, alors, il sera facile d arracher un électron. Les électrons du cortège électronique d'un atome sont placés sur des couches plus ou moins éloignées du noyau: K,L et M. La structure électronique ( répartition des électrons sur ces couches) de l'élément sodium s'écrit (K) 2 (L) 8 (M) 1 ( Z = 11), celle de l'élément oxygène est (K) 2 (L) 6 ( Z= 8), pour le chlore (K) 2 (L) 8 (M) 7 (Z = 17). A l'aide des documents précédents, retrouver toutes les règles de remplissage des différentes couches électroniques. En déduire la structure électronique des atomes d'azote, de phosphore, de bore, d'hélium et de magnésium. 2. Structure électronique des gaz nobles et des ions monoatomiques Partie 1 Etude de documents Base de travail 5 Les gaz nobles et la règle de l octet L observation des propriétés singulières des gaz dits «nobles» permet de tirer des conclusions importantes sur la formation des ions Pistes de réflexion 1. a. Citer les différents noms sous lesquels on rencontre la famille de gaz citée dans le document. b. Quels sont ceux qui ne conviennent pas? Pourquoi? c. Quelle est la propriété chimique qui caractérise ces gaz? 2. Donner la structure électronique des atomes de néon (Z = 10) et d argon (Z = 18). 3. Combien d électrons possèdent-ils sur leur couche externe?

5 4. Dans la nature, pour gagner en stabilité, beaucoup d atomes forment des ions: l atome d oxygène (Z =8) forme l ion O 2 ; celui de sodium (Z = 11), l ion sodium Na + ; celui de chlore (Z = 17) l ion chlorure Cl et celui de calcium (Z = 20) l ion calcium Ca 2+. a. Donner la structure électronique de ces quatre ions. b. La comparer à celle des atomes de néon ou d argon. Que peut-on constater? 5. La règle de l octet, proposée en 1904 par le physicien américain Gilbert Lewis ( ), permet de justifier le fait que certains ions se forment et d autres non. Un octet est constitué de huit électrons. Proposer un énoncé possible de cette règle. Partie 2 Mise en forme des informations Faire un résumé sous forme de carte mentale des informations utiles travaillées dans la partie précédente. Exercices 3,5,8,12,18,19 et 22 pages 54,55 et 56