Chapitre 3 : structure de l atome et formation des molécules 1/ L atome Constituants Carte d identité des constituants de l atome Noyau composé de.. noté Un atome : masse m e = 9,109 x 10-31 kg m p =1,673 x 10-27 kg m n =1,673 x 10-27 kg Remarque sur la masse La masse est quasiment entièrement concentrée dans le Charge électrique -e = -1,602 x 10-19 C +e = +1,602 x 10-19 C 0 (neutre) Remarque sur la charge électrique Nombre Remarque Vu que l atome doit être électriquement., il doit comporter autant de charges + portées par les Autant que de, C'est-à-dire. électrons Occupent un espace de... que de charges portées par les. Z : C est le (aussi le nombre de charges positives dans le noyau) a une structure. :entre le noyau et les électrons, il n y a que du vide! est électriquement.. : il y autant de protons que d électrons. a une masse concentrée dans le :La masse des électrons est négligeable devant cette du noyau a une taille d environ m a un noyau de m(100 000 fois plus petit) N neutrons On appelle «.»A le nombre de nucléons du noyau A =.+. Le noyau de l atome est représenté par le symbole : :
2/ L élément chimique Définition :... A chaque élément chimique correspond un symbole composé d une lettre (C, N, O, F ) ou de deux lettres, avec la première en majuscule et la deuxième en minuscule (Cl, Ca, Mg, Co, Fe, Cu). Aujourd hui, nous connaissons 118 éléments chimiques numérotés de Z = 1 à Z = 118 : 94 sont dans le milieu naturel. 24 sont totalement artificiels (technétium+ tous les éléments à partir du Polonium) Exemples :. Elément chimique :. Z =.. Symbole :.. Exemples : Métal.. ions. ions. Elément chimique :. Z =. Symbole :. Exemples : métal. ions ions. Elément chimique :. Z = Symbole :.. Exemples : métal ions.. ions. Symboles de quelques éléments chimiques Atome Hydrogène Hélium Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magnésium Aluminium Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Symbole Atome Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon Potassium Calcium Cuivre Fer Zinc argent Iode Z 14 15 16 17 18 19 20 29 26 30 47 53 Symbole Les isotopes Voir Activité «medecine nucléaire» Définition :. Exemple : Proportions des différents isotopes dans la nature Hydrogène H Cuivre Cu Carbone C Oxygène O Uranium : 99,985 % : «Deutérium» : 0.015 % : «tritium» : traces : 69,17 % : 30,83 % : artificiel : 98.89 % : 1.11 % : traces : 99,759 % : 0.037 % : 0.204 % : 0,72 % : 99,28 % Tous les isotopes ne sont pas stables : Il n existe environ que. isotopes stables dans l univers. Conservation : Il y a.. car les noyaux ne sont pas modifiés. Seuls les électrons périphériques peuvent varier. Remarque: Il n'est pas possible de transformer un élément chimique en un autre dans une transformation chimique, mais c'est possible dans une transformation nucléaire.
3/ Structure électronique Structure électronique d un atome : Cette représentation montre l atome d hydrogène, possédant un électron. On voit que la probabilité de présence de l électron est maximale sur une sphère centrée sur le noyau. On dit alors que l électronappartient à une. Pour les autres atomes, les électrons s organisent en couches électroniques : c est ce qu on appelle la. d un atome. En seconde, nous ne verrons que les trois premières couches notées.,.. et.. Symbole de la couche Nombre maximal d électrons qu elle peut contenir Représentation des couches les unes par rapport aux autres La couche (.)est la plus proche du noyau. Viennent ensuite la couche (.) et enfin la couche (.)est la plus éloignée Le remplissage des couches électroniques obéit à deux principes(règles) : 1/ Principe de «Pauli» : «..» : Couche électronique Nombre maximum d électrons Lorsqu'une couche est pleine, elle est dite.. Dans ce cas, le remplissage se fait sur la couche suivante. Un électron n occupe la couche supérieure que si la couche précédente est saturée. 2/ Principe de Klechkowski : «..»
Exemple : Structures électroniques d atomes Les ions monoatomiques Définition : Ce sont des atomes qui ont perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Cation : Ion ayant perdu un ou des électron(s). Anion : Ion ayant gagné un ou des électron(s). Exemples : Structures électronique d ions monoatomiques Atome Numéro atomique Structure électronique de l atome Atome de H Z = 1 Ion H + Atome de Li Z = 3 Ion Atome de Cl Z = 17 Ion Cl - Atome de Al Z = 13 Ion Al 3+ Atome de S Z = 16 Ion S 2- Ion Li Nombre d électrons dans l ion Structure électronique de l ion
4/ Les règles du «duet» et de «l octet» Constat : Stabilité chimique des gaz nobles : Partons d'un phénomène naturel assez exceptionnel: L hélium He (Z = 2), Le néon Ne (Z = 10), L argon Ar (Z = 18) sont tous des gaz très stables, très peu réactifs et n existent qu à l état atomique. Ils sont appelés «..». La couche électronique externe est.. Si on regarde la structure électronique des gaz nobles : Gaz Noble Numéro atomique Structure électronique Nombre d électrons sur la couche externe He Z=2 Ne Z=10 Ar Z=18 La structure électronique des atomes des gaz nobles montre qu ils ont soit: Une structure électronique externe en : électrons sur la couche externe Une structure électronique externe en «..» :. électrons sur la couche externe. Ces souches sont..et dites. Règles de duet et de l octet : Dans la nature et au cours de toutes transformations chimiques, tout élément chimique tend à devenir le plus stable possible. Pour cela, ils perdent ou gagnent des électrons pour acquérir une structure électronique en duet ou octet. Règle du duet : Règle de l octet :
Exemple : Structure électronique des Ions monoatomiques stables Atome Z Structure électronique de l atome Li 3 (K) 2 (L) 1 Be 4 (K) 2 (L) 2 O 8 (K) 2 (L) 6 F 9 (K) 2 (L) 7 Na 11 (K) 2 (L) 8 (M) 1 Mg 12 (K) 2 (L) 8 (M) 2 Al 13 (K) 2 (L) 8 (M) 3 S 16 (K) 2 (L) 8 (M) 6 Cl 17 (K) 2 (L) 8 (M) 7 Structure électronique de l ion correspondant Gain ou perte de combien d électron? Formule de l ion Exemple : Structure électronique des Ions monoatomiques stables Atome Z Structure électronique de l atome Li 3 (K) 2 (L) 1 Be 4 (K) 2 (L) 2 O 8 (K) 2 (L) 6 F 9 (K) 2 (L) 7 Na 11 (K) 2 (L) 8 (M) 1 Mg 12 (K) 2 (L) 8 (M) 2 Al 13 (K) 2 (L) 8 (M) 3 S 16 (K) 2 (L) 8 (M) 6 Cl 17 (K) 2 (L) 8 (M) 7 Structure électronique de l ion correspondant Gain ou perte de combien d électron? Formule de l ion Exemple : Structure électronique des Ions monoatomiques stables Atome Z Structure électronique de l atome Li 3 (K) 2 (L) 1 Be 4 (K) 2 (L) 2 O 8 (K) 2 (L) 6 F 9 (K) 2 (L) 7 Na 11 (K) 2 (L) 8 (M) 1 Mg 12 (K) 2 (L) 8 (M) 2 Al 13 (K) 2 (L) 8 (M) 3 S 16 (K) 2 (L) 8 (M) 6 Cl 17 (K) 2 (L) 8 (M) 7 Structure électronique de l ion correspondant Gain ou perte de combien d électron? Formule de l ion
5/ La classification périodique des éléments 1/ Classification de Mendeleïev La classification périodique des éléments est l outil de référence du chimiste. On y classe tous les éléments chimiques connus à ce jour dans l univers. Comment a-t-elle été construite? Comment en est-on arrivé à la classification actuelle? Avant 1700, seuls 12 corps simples avaient été isolés (antimoine, arsenic, argent, carbone, cuivre, étain, fer, mercure, or, phosphore, plomb et soufre). En 1800, le nombre d éléments connus est multiplié par 5 : les chimistes cherchent donc une classification pertinente de ces éléments En 1829, Johann Döbereiner identifie des ensembles de trois éléments chimiques similaires et les nomme triades : la triade des halogènes (chlore, brome, iode), la triade des métaux alcalins (lithium, sodium, potassium), la triade des métaux alcalino-terreux (calcium, magnésium, baryum) De son côté, l italien Stanislao Cannizzaro établit pour tous les éléments connus (63) leur «poids atomique» m (l équivalent de la masse atomique actuelle). Dès lors, toute classification périodique se fait par ordre croissant de poids atomiques. Et les chimistes se succédèrent, proposèrent leurs classification (vis tellurique de Chancourtois en 1862, tableau avec la règle des octaves de Newlands, tableau de Meyer ), sans vraiment satisfaire le milieu scientifique. 17 ème enfant de la famille, un jeune professeur de chimie dans une lointaine université, à Saint- Pétersbourg,Dimitri Ivanovitch MENDELEÏEV (1834-1907) cherche en vain un manuel acceptable pour former sesétudiants à la chimie générale. Le premier congrès international de chimie de Karlsruhe en 1860 l informesur toutes ces tentatives de classification. Intéressé, il se met au travail en préparant des fiches pour les 63 éléments connus. Il indique : Leur poids atomique. Les formules des principales combinaisons chimiques auxquelles il participe. Les principales propriétés chimiques et physiques. Le 17 février 1869, Dimitri Mendeleïev classe les 63 éléments par poids atomiques croissant : Sur une même ligne horizontale, appelée famille, il place tous les éléments ayant des propriétés chimiques semblables. Sur une même colonne, appelée période, il place les éléments chimiques par poids atomiques croissant. Il change de colonne à chaque fois qu une grosse modification de comportement chimique intervient Et le génie de Mendeleïev intervient : Il n hésite pas à inverser le tellure (m = 128) et l iode (m = 127), pensant qu il s agit d une erreur de détermination du poids atomique afin de mettre sur une même ligne les éléments ayant les mêmes propriétés chimiques. Il laisse en outre des places vides : entre le potassium K et le brome Br, Mendeleïev ne dispose que de 12 éléments connus pour 15 cases disponibles.le génie de Mendeleïev consiste à prédire l existence de trois éléments à découvrir (éka-bore de masse m = 45, éka aluminium de masse m = 68 et éka-silicium de masse m = 70), ainsi que leurs masses et propriétés chimiques. Lecoq de Boisraudan, en 1875, mit en évidence le Gallium Ga (correspondant aux propriétés de l éka-aluminium), Winkler le germanium en 1886 (correspondant aux propriétés de l éka-silisium) et Nilson le scandium en 1879 : ce fut la confirmation de l efficacité du système de Mendeleïev. T.Leparoux Questions : (Répondre sur le cahier) 1/ Quel est le critère de classification utilisé par tous les scientifiques dans les années 1850-1870? 2/ Quels sont les deux critères utilisés par Mendeleïev pour établir sa classification? 3/ A quoi correspond aujourd hui le terme «poids atomique»? 4/ Pourquoi le numéro atomique Z n apparait-il pas dans les critères de classification des éléments? (indice :le proton a été découvert en 1916 par Rutherford) 5/ Pour quelle raison Mendeleïev inverse-t-il le tellure Te et l iode I dans sa classification? 6/ Comment Mendeleïev justifie-t-il les places vides (symbolisés par des «?») dans la classification? 7/ A quel élément correspond l éka-bore de masse 44? L éka-aluminium de masse 68? L éka-silicium de masse 70? Place-les dans la classification.
2/ Classification actuelle Le tableau ci-dessous représente la classification périodique actuelle des 18 premiers éléments. Dans la classification actuelle, les éléments sont classés par numéro atomique Z croissant. Les atomes qui possèdent le même nombre d électrons sur leur couche électronique externe sont regroupés dans une colonne (FAMILLE) Une nouvelle ligne appelée PERIODE est commencée dès que la couche électronique externe précédente est remplie. 1H He 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar Questions : (Répondre sur le cahier) 1/ Que représentent les nombres associés aux éléments, en bas à gauche? 2/ Dans quel ordre sont classés les éléments d une même ligne? 3/ Inscris dans chaque case la configuration électronique des atomes (du type (K) (L) (M)) 4/ Quelle est la particularité de la configuration électronique des atomes dans une ligne? 5/ A quoi correspond un changement de ligne? 6/ Quelle est la particularité de la configuration électronique des atomes dans une colonne? 7/ Complète le petit tableau ci-dessous donnant les différences essentielles entre la classification de Mendeleïev et la classification actuelle. Colonne Ligne Classification de Mendeleïev Classement par croissant ; Une colonne est appelée.. Les éléments sont les mêmes..; Une ligne est appelée Classification actuelle Les éléments sont les mêmes..; Une colonne est appelée.. Classement par.. croissant ; Une ligne est appelée. 8/ Quelle famille d éléments apparait dans cette classification actuelle mais dans celle de Mendeleïev? Pourquoi? 9/ Au début de son ouvrage, Mendeleïev se pose une question : «Quelle est la cause de l analogie entre les éléments et quel est le rapport des groupes d éléments entre eux? Mendeleïev pouvait-il le savoir avec les connaissances de l époque?» B/ Conclusion : Complète la conclusion et colle là dans ton cahier (c est le cours) Mendeleïev a classé les éléments chimiques en colonne par croissant, en mettant en ligne les éléments ayant des propriétés semblables. Il n hésita pas à prédire l existence d éléments non découverts et à effectuer des. (Exemple de l iode et du tellure). Les éléments chimiques de la classification actuelle (au nombre de 118) sont rangés en ligne par croissant. Le remplissage d une ligne, appelée aussi, correspond au remplissage d une électronique externe. Lorsque la couche électronique est, on passe à la ligne suivante. Dans une même ligne, les atomes des éléments chimiques ont les mêmes..occupées. Dans une même colonne, les atomes des éléments chimiques ont le même.sur leur couche externe.
2/ Utilisation de la classification périodique La classification périodique est constituée de. colonnes appelées.. Dans une même famille, les atomes des éléments chimiques possèdent le même nombre d sur leur couche électronique... La classification périodique est constituée de. lignes appelées.. Dans une même ligne, les atomes des éléments ont les mêmes couches électroniques externes en cours de remplissage. A retenir : N de colonne 1 2 13 14 15 16 17 18 H He Li Be B C N O F Ne Colonnes 3 ; Na Mg 4 ; 5 ; 6 ; 7 ; Al Si P S Cl Ar K Ca 8 ; 9 : 10 ; Br I Nom de la famille Alcalins H n en fait pas partie Alcalinoterreux 11 ; 12 ; (non étudiées) Chalcogènes halogènes Gaz nobles Ou Terres rares Nombre d électrons sur la couche externe Ions monoatomiques formés Généralisation pour les ions de la colonne Nombres de liaisons formées dans une molécule 1 2 6 7 H + Li + Na + K + Be 2+ Mg 2+ Ca 2+ 2- O S 2- F - Cl - Br - I - 8 (2 pour He) Pas d ions X + X 2+ X 2- X - rien 4 3 2 1 0 Remarque : L hydrogène H n appartient à aucune famille, même s il est placé dans la première colonne. La dernière ligne du tableau est d importance car elle permet de comprendre car elle permet de savoir comment les atomes vont s associer entre eux pour former des molécules
6/ Les molécules 1/ Définitions et formules des molécules Molécule : C est un assemblage d atomes connectés entre eux par des liaisons chimiques. Liaison chimique : C est la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient.elles peuvent être simple, doubles ou triples. On peut représenter une molécule à l aide d un modèle moléculaire pour mieux visualiser sa structure et sa géométrie en 3D: un bâtonnet représente une liaison et une boule représente un atome. On peut aussi fabriquer à l ordinateur : Des modèles éclatés : Ils permettent de voir la nature des liaisons. Des modèles compacts : Ils sont plus proches de la réalité et moins volumineux. 1/ Construis les modèles moléculaires présentés ci-dessous : Modèle moléculaire Modèle éclaté Modèle compact 2/ Chaque atome de la classification périodique des éléments établit toujours le même nombre de liaison chimiques : En regardant la notice de la boite et le nombre de trous des différentes boules de couleurs, complète le tableau :
Ligne 1 Ligne 2 Ligne 3 Ligne 4 Couleur de la boule Atome(s) modélisé(s) Nombre de trous Nombre de liaisons par atome Blanche Noire Bleue Rouge Verte 3/ En chimie, on dit souvent : «La formule de la molécule est». Il en existe 3 types : La formule brute : C est la plus générale et ne permet de connaitre QUE la nature et le nombre d atomes qui composent la molécule. La formule développée : Tous les symboles des atomes sont écrits et chaque liaison est indiquée par un trait. (S il s agit d une double liaison, 2 traits et 3 traits s il s agit d une triple liaison) La formule semi-développée : Les liaisons avec un atome d hydrogène ne sont plus indiquées. En prenant comme exemple l éthanol ci-contre, établis la formule brute, la formule développée et la formule semidéveloppée des deux autres molécules construites : Molécule Chlorure de vinyle Acrylonitrile Formule brute Formule développée Formule semi-développée Application : Avec 3 boules noires, 8 boules blanches et 1 boule rouge, construis un modèle moléculaire d une molécule et complète UNE colonne du tableau Nom de la molécule Formule brute Formule développée Formule semi-développée Deux molécules de même formule brute ont-elle nécessairement la même formule développée et semi-développée?
2/ Les isomères Dans l application, nous avons vu qu une même formule de molécule pouvait mener à plusieurs agencements d atomes. Des isomères sont des molécules ayant la même formule brute mais des enchainements d atomes et/ou des structures spatiales différents. Les isomères n ont pas les mêmes propriétés physiques et chimiques et correspondent à des molécules différentes. Exemples : Faire les modèles moléculaires des 4 isomères Formule brute : Formules développées Formules semidéveloppées Nom et propriétés C 4 H 10 C 2 H 6 O C 2 H 7 N C 2 H 4 O 2 Exercice : Le glucose (a) et le fructose (b) sont 2 sucres représentés avec leur formule topologique. 1/ Détermine la formule brute du fructose et du glucose. 2/ Combien de liaisons covalentes simples et de liaisons covalentes doubles possèdent chaque molécule. 3/ Quelle est la particularité de ces deux molécules? Ont-elles les mêmes propriétés chimiques?
3/ Famille de molécules et groupes caractéristiques. Il existe plusieurs millions de molécules, découvertes pour la plupart récemment (on en découvre encore tous les jours). Afin de s y retrouver, le chimiste a classé les molécules dans des familles : Voici un jeu de 7 familles de molécules très très très simples (très peu d atomes). 1/ S agit-il de formules : brutes semi-développées développées 2/ Dans le tableau ci-dessous, classe les molécules qui se ressemblent dans une même ligne. Quel critère utilises-tu pour les classer. Famille 1 ère famille : 2 ème famille 3 ème famille 4 ème famille 5 ème famille 6 ème famille 7 ème famille Nom des molécules
3/ En quoi diffèrent les molécules d acide méthanoïque et de méthanoate de méthyle?. 4/ Ajoute une molécule supplémentaire par famille. (Voir tableau) Tu les placeras sous le jeu des 7 familles. Atome C N O H Cl Nombre de liaisons 4 3 2 1 1 5/ On appelle groupe caractéristique ou groupe fonctionnelun ensemble d atomes liés entre eux dont au moins un n est pas un atome de carbone (on l appelle hétéroatome) : Tous les atomes d hydrogène H liés à un hétéroatome font partie du groupe caractéristique Tous les atomes de carbone liés à un atome d oxygène avec une double liaison fait partie du groupe caractéristique. Le groupe caractéristique donne à la molécule des propriétés chimiques et physiques bien particulières. C est pour cette raison que les chimistes les classent selon ce groupe caractéristique a/ recopie les formules des molécules de méthanol, de méthanamine, de propanone, d éthanol, de propanal, d acide éthanoïque et de méthanoate de méthyle et entoure le groupe caractéristique (dans la deuxième ligne) Nom méthanol méthanamine propanone éthanol propanal d acide éthanoïque méthanoate de méthyle Formule Nom du groupe caractér. c/ A l aide de la fiche Groupes fonctionnel et groupes caractéristiques, complète la 3 ème ligne du tableau (Nom des groupes caractéristiques) d/ Dans toutes les molécules représentées ci-dessus, existe-t-il de molécules ne possédant pas de groupe caractéristique. Si oui, lesquels. e/ Entoure sur les modèles éclatés ci-dessous les groupes caractéristiques :
Fiche : Groupes fonctionnels et groupes caractéristiques En chimie organique, un groupe fonctionnel est un assemblage d atomes bien spécifiques qui donnent à la molécule une réactivité et des caractéristiques particulières. Cette classification permet de créer des familles de molécules ayant des propriétés chimiques semblables. Les groupes fonctionnels comportant au moins un atome différent du carbone ou de l hydrogène (oxygène, azote, chlore, soufre, iode, fluor, brome que l on appelle HETEROATOMES ) sont appelés groupes caractéristiques. Dans tout ce qui suit, R, R, R 1 ou R 2 représentes une chaine carbonée formée de liaisons simples entre atomes de carbone et hydrogène. (Ce peut être aussi un atome d hydrogène H) Groupes caractéristique et fonctionnel Alcane (Ce n est pas un groupe caractéristique) Alcène (Ce n est pas un groupe caractéristique) Formule représentation Alcyne (Ce n est pas un groupe caractéristique) Aryle (Ce n est pas un groupe caractéristique) Alcool (primaires, secondaires, tertiaires) Aldéhyde Cétone Acide carboxylique R- CH 2 - OH (1 aire ) R- CH-OH-R (2 aire ) R, R - COH - R 1 (3 aire ) R-CHO R-CO-R R - COOH Halogènes (X = Cl, Br, F ou I) R-X Halogénure d acyle (X = Cl ou Br ou I ou F) R-CO-X Ester Amine (primaires, secondaires, tertiaires) Nitrile Amide(primaires, secondaires, tertiaires) Etheroxyde Thiol Thioéther R-COO-R