Le modèle atomique. Notion d élément chimique

Chapitre 5 Le modèle atomique. Notion d élément chimique A la fin de ce chapitre Notions et SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise contenus pas Un modèle de l atome Noyau (protons et neutrons), électrons Nombre de charges et numéro atomique Z Nombre de nucléons A Charge électrique élémen- taire, charges des constituants de l atome Electroneutralité de l atome Masse des constituants de l atome Masse approchée d un atome et de son noyau Notions et contenus Dimension : ordre de grandeur du rapport des dimensions respectives de l atome et de son noyau Eléments chimique Isotopes Ions monoatomiques Caractérisation de l élément par son numéro atomique et son symbole SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise pas Table 5.2 Tableau des notions et contenus du chapitre 5 Table 5.1 Tableau des notions et contenus du chapitre 5

Compétences attendues Connaître constitution la d un atome et de son noyau Connaître et utiliser le symbole A Z X Savoir que l atome électriquement neutre Connaître symbole quelques éléments est le de Savoir que la masse de l atome est pratiquement égale à celle de son noyau caractérise atomique Mettre en oeuvre un pour des ions Pratiquer démarche expérimentale pour la protocole identifier une Savoir que le numéro l élément vérifier conservation des éléments au cours d une réaction chimique SAV APP ANA VAL REA Je maîtrise Je ne maîtrise Table 5.3 Tableau des compétences du chapitre 5 pas Contenu du chapitre exercices application exercices maison exercices "Pour aller plus loin" 7 p.48 Microméga 2 p.54 16 p.161 Nathan 13 p.66 Hachette 3 p.54 3 p.65 Hachette 5 p.54 10 p.65 Hachette 4 p.54 14 p.66 Hachette 8 p.54 activités TP ➋ p.57 Hachette TP5 ➋ p.39 Microméga TP6 Introduction L histoire de l atome est une histoire récente (début du XVIIIème siècle). Les chercheurs se sont rapidement rendus compte qu on ne pouvait pas utiliser la mécanique de Newton que nous avons étudiée dans les chapitres précédents pour décrite la structure des atomes. Plusieurs modèles de l atome ont alors été élaboré, tous avec des défauts, ce qui a poussé les chercheurs à élaborer un modèle permettant de décrire le monde à l échelle microscopique. Avec ce chapitre, vous entrez dans le monde merveilleux des atomes et du modèle actuel qui décrit leur comportement : le modèle quantique. Il faut garder à l esprit qu il ne s agit là que d un modèle, il en existe d autres. Cependant, le modèle quantique n a été contredit par aucune expérience jusqu à présent ce qui fait qu on le considère comme le "bon modèle" pour décrire les atomes. Classe de Seconde Générale 2

Modèle Un modèle est une représentation simplifiée d un système réel complexe. Le modèle se base sur un certain nombre d hypothèses pour décrire le système. Ainsi, un modèle n est jamais un outil parfait, chaque modèle a ses avantages et ses défauts. Le chemin qui a conduit les chercheurs à ce modèle quantique fut difficile à parcourir. Sachez simplement que beaucoup de choses qui ont été découvertes à l échelle atomique sont contre-intuitives. Comme mise en bouche, regardez l image suivante qui représente un cercle d atomes de fer (petits pics). A l intérieur du cercle formé par ces atomes, vous pouvez voir des ondes qui sont formées par les électrons des atomes de fer. C est une grande découverte du monde quantique : des particules comme les électrons peuvent se comporter comme des ondes ou comme des particules. Bienvenue dans le monde quantique! I Un modèle de l atome I.1 Structure Un modèle de l atome L atome est constitué d un noyau central chargé positivement et d électrons en mouvement autour de ce noyau et chargés négativement. Figure 5.1 Atomes de fer placés en cercle Constitution du noyau Le noyau est constitué de protons chargés positivement et de neutrons qui n ont pas de charge électrique (neutres). Les protons et les neutrons sont appelés des nucléons en référence à leur position dans le noyau de l atome. Charge de l atome L atome est un édifice électriquement neutre, c est-à-dire qu il possède autant de protons que d électrons. Classe de Seconde Générale 3

Figure 5.2 Modèle de l atome selon Rutherford Exemples L atome d hydrogène possède un proton et aucun neutron donc on le note : 1 1H (5.1) L atome d hélium possède deux protons et deux neutrons donc on le note : 4 2He (5.2) L atome de carbone possède six protons et six neutrons donc on le note : 12 6 C (5.3) Symbole de l atome Les atomes sont classés selon leur nombre de protons. Ce nombre de protons est noté Z et est appelé nombre de charges ou numéro atomique. La somme du nombre de protons et de neutrons donne le nombre de nucléons qu on appelle nombre de masses, noté A. Un atome est symbolisé par une lettre X selon la notation : A Z X Exercice : représentation symbolique de l atome d étain Un atome d étain possède 120 nucléons dot 50 protons. 1. Rappeler ce qu est un nucléon. 2. Sur les deux types de nucléons, un seul possède une charge. Lequel? 3. Comment est la charge électrique globale de l atome? En déduire combien d électrons possède l atome d étain. 4. Combien l atome d étain possède-t-il de neutrons? Donner la représentation symbolique de l atome d étain. Classe de Seconde Générale 4

1. Un nucléon est une particule qui compose le noyau : un neutron ou un proton. 2. Le proton est un nucléon qui possède une charge positive. 3. La charge électrique globale de l atome est nulle : c est un édifice électriquement neutre. L atome possède donc autant de charges positives (protons) que de charges négatives (électrons), l atome d étain a donc 50 électrons. 4. Pour obtenir le nombre de neutrons, on soustrait le nombre de protons au nombre de nucléons : A=120-50=70 neutrons. La représentation symbolique de l atome d étains est : I.2 Dimensions 120 50 Sn (5.4) 1. les particules α devraient rebondir contre les atomes de la feuille d or 2. on peut en déduire que la majorité des particules α traversent la feuille d or sans être déviées 3. on peut en déduire qu une minorité de particules α sont déviées en traversant la feuille d or 4. une très faible proportion de particules α repartent dans la direction d incident indiquant une collision avec les atomes de la feuille d or 5. la faible proportion de particules α déviées indique que la matière est essentiellement composée de vide 6. étant donné le nombre de noyaux déviés par projection sur des atomes rangés, les dimensions du noyau sont très faibles devant les dimensions de l atome. Les dimensions de l atome sont de l ordre de 10 10 m alors que les dimensions du noyau sont de l ordre de 10 15 m. 7. les particules α sont déviées par les noyaux 8. les particules α sont des noyaux chargés positivement ce qui indique qu ils sont déviés par les noyaux des atomes d or eux aussi chargés positivement. Dimension atome Un atome est un édifice dont les dimensions sont de l ordre de Activité 1 (individuel) 10 10 m L expérience décisive de Rutherford. Structure lacunaire Un atome est essentiellement constitué de vide, on parle de structure lacunaire. Les dimensions du noyau sont de l ordre de 10 15 m soit 100 000 fois plus petites que celles de l atome. Classe de Seconde Générale 5

Pour la culture Le rapport du volume occupé par le noyau sur celui de l atome est de : V noyau V atome = π( dnoyau 2 ) 3 4 3 4 datome π( 3 2 ) 3 = d3 noyau d 3 atome = (10 15 ) 3 (10 10 ) 3 = 10 15 (5.5) avec d atome et d noyau les dimensions de l atome et du noyau respectivement. On a donc une occupation du noyau par rapport au volume total de l atome de seulement 10 13 % par le noyau. Pour donner une comparaison à notre échelle, si l atome avait la dimension d un stade de football, le noyau représenterait une tête d épingle. I.3 Charge et masse des constituants Charge électrique élémentaire L unité de la charge électrique est le Coulomb, noté C. Le physicien Millikan a montré que la plus petite charge électrique isolable, appelée charge élémentaire et notée e, a pour valeur e = 1, 6.10 19 C. Le proton et l électron portent cette charge avec un signe, soit positif soit négatif (vide infra). particule charge (C) masse (kg) proton +1, 6.10 19 1, 6726.10 27 neutron 0 1, 6749.10 27 électron 1, 6.10 19 9, 1093.10 31 Pour la culture La masse du proton est proche de celle du neutron, l ordre de grandeur est de 10 27 kg. L ordre de grandeur de la masse de l électron est de 10 30 kg ce qui signifie que les nucléons sont 1000 fois plus lourds que les électrons. On peut en déduire que toute la masse de l atome est concentrée dans le noyau ce qu on écrit mathématiquement comme : m atome m noyau = Z.m proton + (A Z).m neutron (5.6) I.4 Quelques atomes remarquables Symboles d atomes à connaître Les symboles de certains atomes sont à connaître par coeur car ils seront réutilisés abondamment dans la suite du cours de chimie : atome hydrogène symbole 1 1 H carbone 12 6 C azote 14 7 N oxygène 16 8 O Classe de Seconde Générale 6

II Les isotopes Isotopes Deux isotopes sont deux atomes possédant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Pour distinguer les isotopes, on les nomme en fonction de leur nombre de nucléons dont la valeur diffère. Les isotopes de l hydrogène possèdent des noms particuliers : l hydrogène ( 1 1H), le deutérium ( 2 1H) et le tritium ( 3 1H) qui possède respectivement zéro, un et deux neutrons. 1. Car il pensait que les neutrons étaient responsables de la masse supplémentaire qui apparaît dans l atome de Néon par rapport à l atome d hydrogène. 2. 6 3Li et 7 3Li avec 3 et 4 neutrons, 10 5 B et 11 5 B avec 5 et 6 neutrons 3. Le chlore est un mélange des isotopes 35 et 37 4. Question supplémentaire : déterminer les proportions de chlore 35 et de chlore 37 dans un mélange naturel. On trouve 75% de chlore 35 et 25% de chlore 37 Pour la culture Pour générer de l énergie nucléaire, on utilise de l uranium 235 qui est le seul isotope naturel fissile (dont le noyau se brise en produisant de l énergie). Cependant, l uranium 235 est présent à moins de 1% dans l uranium naturel car un autre isotope, l uranium 238, y est prépondérant. Etant donné que seul, l uranium 235 permet de générer l énergie nucléaire, on enrichit des échantillons d uranium en uranium 235 qui pourront être utilisés par la suite comme combustible dans les centrales nucléaires. Question supplémentaire : pour les forts en maths Déterminer les proportions de chlore 35 et de chlore 37 dans un mélange naturel. Activité 2 Expérience de Aston, mise en évidence de la notion d isotope. On trouve 75% de chlore 35 et 25% de chlore 37. Classe de Seconde Générale 7

III Les ions monoatomiques Ion monoatomique Un ion monoatomique se forme lorsqu un atome gagne ou perd un ou plusieurs électrons. Un atome qui perd un ou plusieurs électrons devient chargé positivement ce qui forme un cation. Un atome qui gagne un ou plusieurs électrons devient chargé négativement ce qui forme un anion. Lors de la formation d un ion, seul le cortège électronique est modifié, la structure du noyau reste intacte. Dans la nature, un ou plusieurs anions sont toujours associés à un ou plusieurs cations de sorte à former un ensemble électriquement neutre. Exercice : pourquoi la surface de Mars est-elle rouge? La couleur rouge de la surface de Mars est due entre autre à la présence d oxyde de fer dont on cherche la composition ionique. 1. L ion fer de cet oxyde est issu d un atome de fer de symbole 56 26F e qui a perdu 3 électrons. S agit-il d un anion ou d un cation? Quelle est la formule de cet ion? 2. L ion oxyde est issu d un atome d oxygène de symbole 16 8 O qui a gagné 2 électrons. S agit-il d un anion ou d un cation? Quelle est la formule de cet ion? 3. L oxyde de fer(iii) peut s écrire sous la forme (n.f e 3+, m.o 2 ), trouver les valeurs de n et de m de telle sorte que l oxyde de fer soit électriquement neutre Symbole ion monoatomique Le symbole d un ion monoatomique est comme suit : X n± avec X le symbole de l ion et n± la charge de l ion (n est un nombre entier), positive pour un cation ou négative pour un anion. 1. L atome de fer a perdu des électrons, il est chargé positivement, c est donc un cation. La formule de cet ion est Fe 3+. 2. L atome d oxygène a gagné des électrons, il est chargé négativement, c est donc un anion. La formule de cet ion est O 2. 3. Pour que l oxyde de fer(iii) soit électriquement neutre, il faut que n = 2 et m = 3. La formule de l oxyde de fer(iii) est donc Fe 2 O 3. Classe de Seconde Générale 8

IV Notion d élément chimique Elément chimique élément chimique : ensemble des atomes, ions et isotopes possédant le même nombre de protons Z. Un élément chimique se caractérise par son numéro atomique Z et son symbole. Pour la culture La conservation de l élément chimique selon Lavoisier est vraie dans la plupart des transformations chimiques, elle n est en revanche pas vraie pour les transformations nucléaires. Dans une transformation nucléaire, les éléments chimiques varient avec la transformation. Exemple (conf. TP5 ) Cu, Cu 2+, Cu(OH) 2 et les isotopes 63 29Cu et 65 29Cu du cuivre contiennent tous l élément cuivre car toutes ces espèces ont le même nombre de protons (Z = 29) et appartiennent donc au même élément chimique. Conservation de l élément chimique La notion d élément chimique est importante car elle est à la base de la définition de la conservation de la matière de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme". Dans cette phrase, Lavoisier sous-entend qu au cours d une réaction chimique, l élément chimique se conserve. Par exemple, quand on ajoute de la soude dans une solution de sulfate de cuivre, on forme de l hydroxyde de cuivre(ii) Cu(OH) 2(s) : dans cette transformation, il y a autant d élément cuivre avant et après la transformation chimique. Alors qu au départ, l élément cuivre est sous forme d ion Cu 2+ (aq), il est ensuite transformé en hydroxyde de cuivre Cu(OH) 2(s) qui est une autre forme de l élément cuivre. Exercices à la maison Exercices ex. 2 p.54 ex. 3 p.54 ex. 4 p.54 ex. 5 p.54 ex. 8 p.54 Classe de Seconde Générale 9

Pour aller plus loin Exercice 1 1. Parmi les cations monoatomiques, on trouve les ions calcium, magnésium, potassium et sodium. Parmi les anions monoatomiques, on trouve les fluorures et les chlorures. 2. L ion calcium Ca 2+ possède 18 électrons. L atome dont il est issu possède deux électrons de plus soit 20 électrons. Sachant que l atome est un édifice électriquement neutre (autant d électrons que de protons), on en déduit que l élément calcium possède 20 protons donc son numéro atomique est Z = 20. 3. L ion fluorure F possède 10 électrons. L atome dont il est issu possède un électron de moins soit 9 électrons. Sachant que l atome est un édifice électriquement neutre (autant d électrons que de protons), on en déduit que l élément fluor possède 9 protons donc son numéro atomique est Z = 9. Exercice 2 L atome d hydrogène est le plus abondant dans l Univers. On assimile le rayon du noyau atomique de l atome d hydrogène à celui d une tête d épingle (r = 1, 0 mm). Calculer alors le rayon de l atome d hydrogène à cette échelle. Données : Rayon de l atome d hydrogène : 5, 3.10 11 m Rayon du noyau de l atome d hydrogène : 1, 2.10 15 m Classe de Seconde Générale 10

On peut résoudre simplement le problème en faisant un produit en croix. Sachant que le noyau de l atome d hydrogène est représenté par une tête d épingle, par quoi est représenté l atome d hydrogène : 1, 0.10 3 m 1, 2.10 15 m? 5, 3.10 11 m d où un rayon mis à l échelle pour l atome d hydrogène de 5,3.10 11 1,0.10 3 1,2.10 15 = 44 m. Ainsi, si le noyau de l atome d hydrogène était représenté par une tête d épingle, l atome d hydrogène serait représenté par une sphère de 44 m de rayon. Imaginez la quantité de vide que cela représente! On peut vraiment parler de structure lacunaire de l atome. 1. En divisant la charge du noyau par la charge élémentaire, on obtient le nombre de protons contenus dans le noyau de l atome inconnu : Z = Q e = 2,08.10 18 1,60.10 19 = 13 protons. 2. Sachant que le noyau de l atome inconnu contient 14 neutrons, il possède donc A = 13 + 14 = 27 nucléons. Exercice 4 Soit les noyaux caractérisés par les couples de valeurs (Z,A) suivants : (7,14) ; (14,28) ; (27,59) ; (13,27) ; (14,29) ; (7,15). 1. Un élément chimique est-il caractérisé par la valeur de Z ou par celle de A? 2. En déduire le nombre d éléments chimiques représentés par les couples de valeurs précédents. 3. Identifier les isotopes. Exercice 3 Le noyau d un atome inconnu a une charge Q = 2, 08.10 18 C et contient 14 neutrons. 1. Calculer le nombre de protons de son noyau. 2. En déduire le nombre de nucléons de son noyau. Données : charge élémentaire : e = 1, 60.10 19 C 1. Par définition, un élément chimique est caractérisé par sa valeur de Z. 2. On dénombre les éléments de Z valant 7, 13, 14 et 27 soit 4 éléments chimiques au total. 3. Des isotopes sont des atomes appartenant au même élément chimique et dont le nombre de neutrons diffère. On distingue les isotopes 14 et 15 de l élément de Z = 7 et les isotopes 28 et 29 de l élément de Z = 14. Classe de Seconde Générale 11