Chimie 3e Sciences de base - Livre-cahier - UAA1 Chapitres 3, 4 et 5 by VAN IN

Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert

LIVRE-CAHIER

Sciences de base

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Auteurs : Henri Bordet Dominique Castin Pierre Pirson Philippe Snauwaert Couverture : Primo&Primo Mise en pages : Nord Compo Dessins : Freddy Goossens Crédits photographiques : © Bridgeman Art Library (p. 15 d et 84) ; © akg-images/ullstein bild (p. 29 g) ; © KEYSTONE-FRANCE (p. 35 et 36) ; © AMERICAN INST.PHYSIC/SPL/COSMOS (p. 35) ; Parent Géry/Wikipédia (p. 48 haut) ; © Hulton-Deutsch Collection/CORBIS (p. 57 bas g) ; © Roger Ressmeyer/CORBIS (p. 57 bas d) ; © Federico Gambarini/dpa/Corbis (p. 73 m d) ; gettyimages/Wavebreakmedia Ltd (p. 76) ; gettyimages/ Andy Nowack (p. 78) ; S.P.L./COSMOS (p. 79 g) ; © Collection Dagli Orti/Musée des Beaux Arts Grenoble/Gianni Dagli Orti (p. 88) ; N. Matthys et al., Sciences 3e, De Boeck, 2011, p. 141 (p. 95 bas) ; Toyah/Wikipédia (p. 109 bas) ; http://gwenaelm.free.fr (p. 118) ; © INRS (p. 126) ; © VWR International (p. 142-144) ; © Fotolia : Tomo Jesenicnik (p. VI g), Philippe Devanne (p. VI m), Régis Verger (p. VI d), Eric Cabasse (p. VII g), Sly (p. VII m), Boojoo (p. VII d), Shawn Hempel (p. VIII), marcel (p. 2), Radu-Ion Huculeci (p. 3 g), Oliver Hirte (p. 3 m), Daphné Bourgoing (p. 3 d), Cyril Comtat (p. 7 ht g), Sergiy Serdyuk (p. 7 ht m), Florian Villesèche (p. 7 ht d), Visions-AD (p. 7 bas d), OutdoorPhoto (p. 9), samiramay (p. 10), Toufik Amine TALEB (p. 11 g), tethysimagingllc (p. 16 clous), pioneer (p. 16 aluminium), Adam (p. 16 alliances), fotoknips (p. 16 arrosoir), Silvano Rebai (p. 16 fils), Frog 974 (p. 16 crayons), fox17 (p. 18), Orlando Florin Rosu (p. 19 g), iWorkAlone (p. 19 m), bradcalkins (p. 19 d), Velirina (p. 23 g ht), photogl (p. 27 ht), Szasz-Fabian Erika (p. 27 m d), matteo (p. 27 bas), Mopic (p. 28), Tatiana (p. 29 m), Mopic (p. 29 d), Cédric BASSET (p. 40), Pawel Szczesny (p. 41 m), Dana S. Rothstein (p. 43 g), Demarco (p. 43 d), PixelPower (p. 51 m), Minerva Studio (p. 52), Celso Pupo (p. 53 m), TheJuice (p. 53 d), Araparapup (p. 57 ht d), salita2010 (p. 59), Gennady Poddubny (p. 64 ht), Surflifes (p. 64 bas), Philippe Devanne (p. 65 ht), äquipotentiallinie (p. 65 bas), Marc Roche (p. 67 m), pedrosala (p. 67 d), Bananafish (p. 73 ht d), Marcin Sadlowski (p. 73 m g), Thierry RYO (p. 74 ht), Freesurf (p. 74 bas), Ljupco Smokovski (p. 79 d), Nenov Brothers (p. 91 d), silver-john (p. 95 ht), Dmitry Vereshchagin (p. 99), TwinEA (p. 100), graphlight (p. 101 g), efired (p. 109 ht), helenedevun (p. 110), Coprid (p. 111 d), Dominique LUZY (p. 116 ht), Anne fotolia (p. 116 bas), Cyril Comtat (p. 132).

L’éditeur s’est efforcé d’identifier tous les détenteurs de droits. Si, malgré cela, quelqu’un estime entrer en ligne de compte en tant qu’ayant droit, il est invité à s’adresser à l’éditeur. Les photocopieuses sont d’un usage très répandu et beaucoup y recourent de façon constante et machinale. Mais la production de livres ne se réalise pas aussi facilement qu’une simple photocopie. Elle demande bien plus d’énergie, de temps et d’argent. La rémunération des auteurs, et de toutes les personnes impliquées dans le processus de création et de distribution des livres, provient exclusivement de la vente de ces ouvrages. En Belgique, la loi sur le droit d’auteur protège l’activité de ces différentes personnes. Lorsqu’il copie des livres, en entier ou en partie, en dehors des exceptions définies par la loi, l’usager prive ces différentes personnes d’une part de la rémunération qui leur est due. C’est pourquoi les auteurs et les éditeurs demandent qu’aucun texte protégé ne soit copié sans une autorisation écrite préalable, en dehors des exceptions définies par la loi. © Éditions VAN IN, Mont-Saint-Guibert – Wommelgem, 2021, De Boeck publié par VAN IN Tous droits réservés. En dehors des exceptions définies par la loi, cet ouvrage ne peut être reproduit, enregistré dans un fichier informatisé ou rendu public, même partiellement, par quelque moyen que ce soit, sans l’autorisation écrite de l’éditeur. 1re édition, 2021 ISBN 978-2-8041-9828-2 D/2021/0078/161 Art. 597855/01

3 L

Composition des molécules

es molécules sont constituées d’atomes. À ces molécules correspondent des formules moléculaires. De la lecture de ces formules moléculaires, le chimiste peut tirer différentes informations.

Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir ➜ molécule, ➜ formule moléculaire, ➜ indice, ➜ corps pur simple, ➜ corps pur composé, ➜ corps binaire, ➜ corps ternaire.

SAVOIR-FAIRE différencier un corps binaire d’un corps ternaire ; donner la composition d’une molécule à partir de sa formule moléculaire ; donner une formule moléculaire à partir du nombre d’atomes ou de groupements qui la composent ; donner les formules moléculaires à partir de modèles de molécules.

PROCESSUS modéliser un objet ou un matériau comme un ensemble de molécules ou d’atomes (lien macroscopique-microscopique) (C1) ; décrire des corps purs simples et des corps purs composés et fournir des exemples d’utilisation de ceux-ci dans la vie courante (C2) ; expliciter la composition d’une molécule (C3).

3 • Composition des molécules

Dans le chapitre 2, tu as découvert que les molécules sont composées d’atomes et nous pouvons dès lors donner une nouvelle définition d’une molécule. Une molécule est une association d’atomes. Tu as aussi appris la manière de symboliser les différents atomes. Puisque les molécules sont composées d’atomes, il est logique de représenter une molécule par l’association des symboles des atomes qui la constituent. Le déchiffrage de quelques étiquettes va te permettre de détailler ces associations.

Observer le symbolisme chimique sur des étiquettes de produits Voici une série de notations chimiques que l’on peut lire sur des récipients de produits se trouvant dans les armoires d’un laboratoire de chimie.

Al2O3

HNO3

NaCl

CuCl2 CaO

H2O KBr H2SO4

NaOH

En observant ces notations, tu peux te poser des questions. • Combien de symboles composent chacune de ces notations ? ��

• Que signifie le chiffre parfois écrit à droite au bas d’un symbole ? ��

Nous allons, dans ce chapitre, expliquer la signification de ces notations identifiant les molécules.

UAA1 Constitution et classification de la matière

Les notations chimiques qui rendent compte de la composition des molécules sont appelées formules moléculaires.

Corps purs simples et corps purs composés

Le chiffre écrit parfois à droite au bas d’un symbole s’appelle indice. Il précise le nombre d’atomes de ce type présents dans la molécule.

Le modèle moléculaire et le modèle atomique permettent de faire une nouvelle distinction entre les corps constituant la matière.

Ainsi, dans une molécule H2O, il y a 2 atomes H et 1 atome O.

Après avoir appris à définir les corps purs au chapitre 2, apprenons à distinguer les corps purs simples des corps purs composés.

Comme tu le vois, l’indice 1 ne s’écrit pas. Une formule moléculaire est la juxtaposition des symboles, avec indice, des atomes constituant une molécule. Un indice est un chiffre situé à droite et au bas d’un symbole atomique figurant dans une formule moléculaire : il indique le nombre d’atomes de ce type présents dans la molécule. Les formules moléculaires sont utilisées constamment par les chimistes aussi bien dans leur langage oral qu’écrit. Il faut cependant distinguer deux niveaux dans leur emploi. Pour le comprendre, reprenons la formule moléculaire H2O. •  Au niveau microscopique, la formule moléculaire H2O représente une molécule du corps pur eau, que nous appelons « molécule H2O ». • Au niveau macroscopique, l’écriture H2O représente aussi le corps pur eau constitué d’un ensemble de molécules identiques. Il est, en effet, plus pratique de désigner un corps par sa formule moléculaire que par son nom. C’est la raison pour laquelle les chimistes se servent habituellement des formules moléculaires pour étiqueter leurs récipients.

Un corps pur simple est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes identiques. Ainsi, dans le gaz oxygène, chacune des molécules est constituée uniquement d’atomes O. Pour certains gaz, les atomes se regroupent par deux, formant des molécules diatomiques. Ainsi, – le gaz oxygène est constitué de molécules O2 : il s’appelle pour cette raison dioxygène ; – le gaz hydrogène est constitué de molécules H2 : il s’appelle pour cette raison dihydrogène. Cette façon de nommer des corps purs simples gazeux s’applique aussi au diazote, au dichlore, au dibrome, au diiode, etc. Un corps pur composé est un corps pur dont chaque molécule est constituée d’atomes différents. Ainsi, dans le chlorure d’hydrogène, chacune de ses molécules est constituée d’atomes H et d’atomes Cl. Voici quelques exemples d’utilisation dans la vie courante : • de corps purs simples : – l’argent Ag  : miroirs, couverts, bijoux, monnaie ; – le plomb Pb : protection anti-radiations, batteries, soudure ; – le zinc Zn : piles, corniches et gouttières ;

3 • Composition des molécules

– le dichlore Cl2 : désinfection de l’eau, agent de blanchiment ; – le diiode I2 : désinfectant ; – le silicium Si : cellules solaires, montres à quartz, puces électroniques, batteries ; • de corps purs composés : – l’acide chlorhydrique HCl : décapage de métaux, détartrage de carrelages ; – l’hydroxyde de sodium NaOH : fabrication de papiers et de savons, débouchage de canalisations ;

– l’oxyde d’aluminium Al2O3 : abrasif (papier émeri) ; – le dioxyde de carbone CO2 : acidifiant dans les boissons gazeuses, extincteurs ;

Corps binaires et corps ternaires Comparons maintenant les formules moléculaires de deux corps purs composés afin de les différencier : CuCl2 et Na2SO4.

Remarquons que : – la formule moléculaire d’un des deux corps (CuCl2) comprend 2 sortes d’atomes (Cu et Cl) ; – la formule moléculaire de l’autre corps (Na2SO4) comprend 3 sortes d’atomes (Na, S et O). Cette même distinction existe pour la plupart des corps chimiques.

– le chlorure de calcium CaCl2 : épandage sur les routes par temps de verglas, préparation du béton ; – le fluorure de sodium NaF : prévention des caries dentaires ; – le nitrate de potassium KNO3 : préparation d’engrais ; – le phosphate de sodium Na3PO4 : additif alimentaire, adoucissement de l’eau. L’organigramme commencé au chapitre 1 peut maintenant être complété. Corps constitutifs de la matière

Mélanges

Corps purs

Corps purs simples

Corps purs composés

UAA1 Constitution et classification de la matière

Ainsi, – KBr, CO2, Al2S3… sont composés de 2 sortes d’atomes ; – NaOH, H2SO4, C6H12O6… sont composés de 3 sortes d’atomes. Retenons que : Un corps binaire est un corps composé dont chaque molécule est constituée de deux sortes d’atomes. Un corps ternaire est un corps composé dont chaque molécule est constituée de trois sortes d’atomes.

Groupements particuliers d’atomes Analysons plus attentivement les formules de quelques molécules ternaires : Ca(OH)2, HNO3, Al2(SO4)3, Mg(NO3)2, NaOH, H2SO4.

Remarquons qu’elles peuvent être classées d’après le groupement particulier d’atomes commun à certaines d’entre elles : Ca(OH)2 et NaOH comprennent le groupement (OH), HNO3 et Mg(NO3)2 comprennent le groupement (NO3), Al2(SO4)3 et H2SO4 comprennent le groupement (SO4). Tu trouves, dans le tableau ci-après, quelques groupements particuliers : (OH)

(NO3)

(CO3)

(SO4)

(PO4)

Ces groupements sont aisément repérables quand ils sont entre parenthèses. Les chimistes omettent traditionnellement les parenthèses quand il n’y a qu’un seul groupement dans la molécule. Nous prendrons cependant l’habitude cette année (en 3e) de les mettre aussi dans ce cas. En effet, – le groupement (OH) est plus repérable dans Na(OH) que dans NaOH ; – le groupement (CO3) est plus repérable dans H2(CO3) que dans H2CO3. Cette façon de faire aura l’avantage de t’habituer à visualiser les groupements généralement indissociables.

Dénombrement des atomes présents dans une molécule

Pour ce faire, il est indispensable de bien compter le nombre d’atomes présents dans les molécules. Après quelques exercices, ce dénombrement te deviendra vite familier. Comptons le nombre d’atomes de chaque sorte présents dans quelques molécules binaires et ternaires. Dans la molécule CO2, il y a 1 atome C ; 2 atomes O. Dans la molécule N2O3, il y a 2 atomes N ; 3 atomes O. Dans la molécule H(NO3), il y a 1 atome H ; 1 groupement (NO3) comprenant 1 atome N ; 3 atomes O. Dans la molécule Al2(SO4)3, il y a 2 atomes Al ; 3 groupements (SO4) comprenant chacun 1 atome S et 4 atomes O ; donc, au total, il y a 2 atomes Al ; 3 atomes S ; 12 atomes O. Dans ce dernier exemple, le groupement(SO4)estaffectédel’indice3.Cetindice multiplielenombredetouslesatomescomposant le groupement. Al2(SO4)3

Dans un des chapitres suivants, tu vas apprendre à écrire des équations chimiques.

3 • Composition des molécules

1 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) Fe2O3 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

d) P2O5 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

b) H2O : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

e) NO2 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

c) NaCl : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

f) MgI2 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

2 Compte le nombre d’atomes de chaque sorte dans une molécule :

a) H2(SO4) : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � b) Al2(CO3)3 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � c) Cu(NO3)2 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � d) Ba3(PO4)2 : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 3 Écris la formule moléculaire d’un corps binaire dont chaque molécule est constituée de :

a) 1 atome Na et 1 atome Cl : � � � � � � � � � � � � � � �  ;

c) 2 atomes N et 3 atomes O : � � � � � � � � � � � � � �  ;

b) 2 atomes K et 1 atome O : � � � � � � � � � � � � � � � �  ;

d) 1 atome H et 1 atome Br : � � � � � � � � � � � � � � � � � .

4 Écris la formule moléculaire d’un corps ternaire dont chaque molécule est constituée de :

a) 1 atome Ca et 1 groupement (CO3) ��

;

b) 1 atome Mg et 2 groupements (OH) ��

;

c) 1 atome Al et 1 groupement (PO4) ��

;

d) 1 atome Ba et 2 groupements (NO3) ��

5 En t’aidant de la légende suivante : atome azote

atome carbone

atome chlore

atome hydrogène

atome oxygène

atome soufre

a) écris la formule moléculaire de chacun des corps purs dont une molécule est représentée ci-dessous  ; Modèles des molécules

Formules moléculaires ��

��

UAA1 Constitution et classification de la matière

Modèles des molécules

Formules moléculaires ��

��

b) classe les cinq corps purs du tableau ci-dessus en corps purs simples et corps purs composés. Justifie ton classement. Formules moléculaires

Corps purs simples

Corps purs composés

��

car ��

6 Complète le tableau en utilisant la légende suivante : atome aluminium

atome azote

Modèle d’une molécule d’un corps pur

atome sodium

atome carbone

atome chlore

atome hydrogène

atome oxygène

Formule moléculaire

Nombre d’atomes de chaque sorte

Nombre de sortes d’atomes

Sorte de corps pur (simple ou composé)

��

3 • Composition des molécules

Des molécules ordinaires… pas toujours Depuis que tu sais que toute matière est faite de molécules, as-tu perçu que tout ce que tu vois, que tout ce que tu touches est fait de molécules ? Ainsi, en lisant ce livre, tu regardes des molécules sans les voir. Des molécules, tu en avales lorsque tu bois, lorsque tu manges. Tu inspires et tu expires des molécules. Tu es habillé de molécules. Tu es fait de molécules. Nous avons épinglé pour toi des corps contenant des molécules un peu « spéciales ». •   La molécule qui sent la poire : C7H14O2 (acétate d’isoamyle). •   La molécule qui sent l’œuf pourri : H2S (sulfure d’hydrogène). •   La molécule qui sent le plus mauvais : C2H6S (éthylmercaptan). •   La molécule qui calme la douleur : C9H8O3 (acide acétyl

salicylique ou aspirine).

• La molécule qui enivre : C2H6O (alcool éthylique ou éthanol). •   La molécule qui pique : CH2O2 (acide méthanoïque ou acide

formique).

•   La molécule qui fait digérer : NaHCO3 (hydrogénocarbonate

de sodium ou bicarbonate de soude).

•   La molécule qui explose : C7H5N3O6 (trinitrotoluène ou TNT). •   La molécule qui provoque des crampes : C3H6O3 (acide

lactique).

•   La molécule qui fait rire : N2O (hémioxyde d’azote). •   La molécule qui endort : CHCl3 (trichlorométhane ou chloro

forme).

UAA1 Constitution et classification de la matière

Évolution du modèle atomique

epuis l’Antiquité, le modèle atomique a bien évolué grâce aux travaux d’éminents scientifiques à l’esprit curieux et aux idées brillantes : Dalton, Thomson, Rutherford, Chadwick et Bohr. Cette évolution continue et se poursuivra dans le futur.

Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS décrire les modèles atomiques de Dalton, Thomson, Rutherford, Rutherford-Chadwick et Bohr ; définir ➜ masse atomique relative (Ar), ➜ neutron, ➜ électrons externes (ou de valence) et électrons internes (ou de cœur).

SAVOIR-FAIRE dessiner les modèles atomiques de Dalton, Thomson, Rutherford, Rutherford-Chadwick et Bohr ; déterminer le symbole et le nom d’un atome connaissant soit son numéro atomique (Z), soit le nombre de ses protons, soit le nombre de ses électrons ; déterminer le nombre de protons et d’électrons d’un atome connaissant son numéro atomique (Z), son symbole ou son nom ; exprimer la masse atomique relative (Ar), arrondie à l’unité la plus proche, de n’importe quel atome au départ du tableau de Mendeléev ; déterminer le nombre de neutrons à partir de Z et Ar arrondi ; calculer le nombre maximal d’électrons que l’on peut trouver sur une couche donnée ; donner la répartition des électrons par couche, pour les 18 premiers atomes du tableau de Mendeléev ; dessiner le modèle de Bohr de n’importe quel atome parmi les 18 premiers du tableau de Mendeléev ; identifier un atome à partir de son modèle de Bohr ; établir la carte d’identité d’un atome à partir des indications figurant dans la case du tableau de Mendeléev qui lui est réservée.

PROCESSUS décrire le concept de modèle à partir de l’histoire du modèle atomique (C4) ; décrire les qualités, les limites et le caractère évolutif d’une théorie scientifique à partir de l’histoire de la théorie atomique (C5) ; schématiser un atome selon un modèle atomique déterminé (A3) ; décrire la structure électronique d’un atome à partir de sa position dans le tableau de Mendeléev (C6) ; expliquer la composition d’un atome (C7) ; extraire du tableau de Mendeléev les informations utiles pour : – estimer la masse atomique relative d’un atome, – modéliser la répartition des particules subatomiques (électrons) selon le modèle de Bohr (A2).

UAA1 Constitution et classification de la matière

Les expériences réalisées dans les chapitres 1 et 2 t’ont conduit à comprendre pourquoi les scientifiques ont adopté le modèle moléculaire et le modèle atomique de la matière. Les corps sont composés de molécules elles-mêmes constituées d’atomes. Mais les atomes sont-ils les particules matérielles ultimes ou sont-ils, eux aussi, constitués de particules plus petites ? Depuis longtemps, les savants se sont posé cette question. Confrontés à des phénomènes nouveaux, ils les ont étudiés et ont pu ainsi découvrir progressivement l’existence de particules dans l’atome.

Le modèle atomique de Dalton Si les philosophes grecs de l’Antiquité, Leucippe et Démocrite (ve siècle ACN), eurent les premiers l’intuition de la constitution corpusculaire de la matière, il fallut attendre 1808 pour que J. Dalton1, dont nous avons déjà parlé à propos des symboles des atomes, publie sa théorie atomique. Il s’était interrogé sur le fait que lorsqu’on mélange des gaz de densités différentes (par exemple de l’oxygène (d = 1,2) et du chlore (d = 2,6)), ils ne se placent pas par ordre de densité (le chlore en dessous de l’oxygène), mais forment au contraire un mélange gazeux homogène. Il rendit compte de ce phénomène en imaginant que les gaz sont constitués de corpuscules extrêmement petits, les atomes (appellation empruntée aux anciens Grecs et signifiant « qu’on ne peut couper »), qui se mélangent les uns aux autres.

Dalton décrivit les atomes comme de minuscules sphères, indivisibles et indestructibles.

Modèle d’atome de Dalton

Le modèle atomique de Thomson Dès la fin du xixe siècle, le phénomène de l’existence des décharges électriques amena les savants à remettre en question le modèle atomique des sphères de Dalton, indivisibles et indestructibles. Ils eurent l’idée que les décharges étaient dues à de minuscules particules s’échappant de la matière. Mais encore fallait- il individualiser ces particules. Ce fut réalisé entre 1894 et 1897 par J.J. Thomson2 et J. Perrin3 qui démontrèrent la charge électrique négative de ces particules grâce à leurs travaux sur les rayons cathodiques. G.J. Stoney4 les baptisa « électrons », faisant référence au frottement de l’ambre (electron en grec) qui produit des étincelles.

gaz oxygène

gaz chlore

1. J. Dalton (1766-1844), chimiste anglais.

mélange gazeux

2. J.J. Thomson (1856‑1940), physicien anglais, prix Nobel 1906. 3. J. Perrin (1870‑1942), physicien français, prix Nobel 1926. 4. G.J. Stoney (1826‑1911), physicien irlandais. 4 • Évolution du modèle atomique

L’existence d’électrons négatifs conduisit à imaginer, pour rendre compte de la neutralité de l’atome, qu’il devait posséder aussi une charge électrique positive égale à la charge négative des électrons. Thomson proposa en 1904 le modèle du « plumpudding ». Thomson se représenta l’atome comme une sphère gélatineuse ayant une charge positive neutralisant la charge négative des électrons disséminés dans la masse.

Ensuite, ils interposèrent une mince feuille d’or (d’épaisseur 1 . 10–3 mm) sur le trajet des particules α positives. Ils furent très surpris d’observer que la grande majorité des particules α traversaient la feuille d’or sans être déviées. Les autres semblaient ricocher contre un obstacle et subissaient de ce fait des déviations importantes (voir figure ci-dessous).

Le modèle atomique de Rutherford Les scientifiques cherchè rent ensuite à vérifier et à préciser le modèle atomique de Thomson en irradiant la matière avec des particules émises par des corps radioactifs. La radioactivité, c’est-à-dire la propriété qu’ont certains corps (l’uranium, le radium...) d’émettre de minuscules particules sous forme de rayons, avait été découverte fortuitement par le français H. Becquerel5. En faisant des expériences d’irradiation, l’Anglais E. Rutherford6 aboutit, avec ses collaborateurs, à un résultat remarquable. Comme projectiles, ils utilisèrent des « particules alpha (α) » positives très énergétiques, produites par du radium. Dans le procédé utilisé, les particules émises par le radium sont absorbées par une boîte de plomb, à parois épaisses, à l’exception d’un mince faisceau de particules qui peut sortir de façon rectiligne par un trou pratiqué dans la boîte. Ce faisceau est dirigé vers un écran fluorescent circulaire sur lequel son impact est visualisé par une tache lumineuse (voir figure ci-après).

5. H. Becquerel (1852-1908), physicien français, prix Nobel 1903. 6. E. Rutherford (1871-1937), physicien anglais, prix Nobel 1908.

UAA1 Constitution et classification de la matière

Pourrions-nous, sachant que des particules de même charge électrique se repoussent, expliquer : –  pourquoi la plupart des particules α traversent les atomes or sans être déviées ? –  pourquoi quelques particules  α ricochent sur un obstacle en subissant des déviations importantes ? –  pourquoi les électrons des atomes or n’ont pratiquement pas d’influence sur le mouvement des particules α ? –  pourquoi le modèle de Thomson ne peut pas rendre compte des phénomènes observés ? De son expérience, Rutherford conclut que le modèle atomique de Thomson ne pouvait expliquer pourquoi la plupart des particules α positives poursuivaient leur trajectoire rectiligne sans être déviées. Il comprit que les rares obstacles rencontrés ne devaient occuper qu’un volume très réduit de l’espace atomique et qu’ils étaient de charge positive, puisqu’ils repoussaient avec force les projectiles positifs qui les atteignaient.

atome or noyau positif

Il en déduisit aussi que les électrons devaient être dispersés dans l’espace vide et être de masse infime, puisqu’ils n’influençaient pas la trajectoire des particules α. S’appuyant sur ces travaux, Rutherford infirma le modèle de Thomson et représenta l’atome comme un grand volume vide dans lequel des électrons se déplaçaient autour d’un noyau positif. Cet agencement proposé en 1911 avait déjà été suggéré en 1904 par le Japonais H. Nagaoka7. Il fallut attendre 1919 pour que les particules de charge positive constituant le noyau soient identifiées. E. Goldstein8 les avait déjà découvertes en 1886, mais ne travaillant pas sur la composition de l’atome, il n’en avait fait aucune exploitation. Ces particules appelées « protons » : – ont une masse de 1,667 . 10-27 kg et sont 1 836 fois plus lourdes que les électrons ; – sont en même nombre que les électrons ; – ont une charge égale à celle des électrons, ce qui justifie la neutralité de l’atome. Rutherford et le proton C’est en 1919 que Rutherford appela les particules positives constitutives du noyau « protons ». Ce terme « proton » provient de « protyle », proposé par W. Prout9 cent ans plus tôt. Celui- ci émit l’hypothèse que tous les atomes seraient formés d’une substance fondamentale unique qu’il appella « protyle » (en grec, « premier matériau »), ce protyle étant alors l’atome hydrogène, le plus léger de tous les atomes. 7. H. Nagaoka (1865-1950), physicien japonais. 8. E. Goldstein (1850-930), physicien allemand. 9. W. Prout (1785‑1850), chimiste et médecin anglais.

Le mot « prouton » avait d’abord été proposé par Rutherford, en l’honneur de son prédécesseur W. Prout mais c’est « proton » qui fut finalement retenu par la communauté scientifique. Ouf ! Sans cette modification, l’atome oxygène aurait contenu, dans son noyau, 8 proutons ! D’autres expériences permirent de déterminer que l’atome a un diamètre de l’ordre du dixième de nanomètre (10–10 m). Quant au diamètre du noyau, il est 100 000 fois plus petit, (soit 10–15 m). Modèle de l’atome Li selon Rutherford10 électron

1e–

1e– + + + 1e– noyau atomique comprenant 3 protons (3p+ )

volume vide

Ces informations permettent, dès lors, de conclure qu’il y a beaucoup de vide dans un atome et que sa masse est concentrée dans son noyau. Pour te représenter cette proportion, imagine, au centre de la diagonale d’un terrain de football, une puce, d’environ 1 mm. Elle figurerait le volume du noyau, tandis que la diagonale serait le diamètre de la sphère dans laquelle évolueraient les électrons.

Le modèle atomique de Rutherford-Chadwick Si tu consultes le tableau de Mendeléev à la fin de ce livre-cahier, tu retrouves dans chaque case le symbole d’un atome différent ainsi que plusieurs nombres. Voici, reproduite ci-dessous, la case du lithium Li. 2 1

1,00

Li 6,94

Que représentent les données numériques entourant le symbole du lithium ? Dans un premier temps, voyons s’il est possible d’établir une 10. Le cercle en pointillé indique la limite de l’espace dans lequel circulent les électrons. 4 • Évolution du modèle atomique

relation entre le modèle de l’atome et deux de ces nombres : 3 et 6,94. Numéro ou nombre atomique Z Dans la case du lithium Li, le nombre entier « 3 » situé dans le coin supérieur gauche est appelé numéro atomique Z. De façon plus générale, Z indique : – l’ordre de classement d’un atome dans le tableau ; – le nombre de protons (p+) ainsi que le nombre d’électrons (e–) présents dans un atome électriquement neutre. Ainsi l’atome lithium, que nous avons représenté dans sa case, a comme numéro atomique Z = 3. C’est le 3e atome par ordre de complexité. Il possède 3 protons et 3 électrons. Z

Li Masse atomique relative Ar Tu viens de découvrir la signification et l’utilité du nombre situé dans le coin supérieur gauche de chaque case du tableau de Mendeléev. Attachons-nous maintenant à donner un sens au nombre situé sous le symbole de l’atome. Remarquons que ce nombre n’a pas d’unité. En effet, la masse de chaque atome est calculée en la comparant à la masse d’un atome étalon : l’atome H, le plus léger. C’est pourquoi, qu’elle soit effectuée par d’anciennes méthodes ou par des méthodes plus modernes (spectrométrie de masse), la mesure de la masse des atomes aboutit à une masse relative puisqu’elle résulte du rapport de deux masses. La masse atomique relative A r d’un atome est le rapport entre la masse de cet atome et la masse de l’atome H, choisie comme masse étalon.

1 atome O

16 atomes H

Dans la pratique, si tu veux connaître la masse atomique relative d’un atome, consulte le tableau de Mendeléev. La masse atomique relative figure sous le symbole de chacun des atomes. Quand tu devras l’utiliser, tu l’arrondiras à l’unité la plus proche. Ainsi, suite à la consultation du tableau pour H, C et O H

1,01

12,01

16,00

Ar(C) = 12

Ar(O) = 16

tu retiendras : Ar(H) = 1

Découverte du neutron Tu viens d’apprendre à déterminer le nombre de protons et d’électrons à partir du numéro atomique Z. Les scientifiques ont établi que la masse du proton est pratiquement égale à la masse d’un atome H (soit 1,672 . 10 – 24 g) et que la masse de l’électron, environ 1 836 fois plus petite, est négligeable par rapport à la masse du proton. La masse d’un atome devrait donc être égale à la somme des masses des protons. Ainsi, l’atome He (Z = 2), constitué de 2 p+ et de 2 e–, devrait avoir une masse équivalente à celle de 2 atomes H ; or sa masse atomique relative est 4, comme tu peux le vérifier en consultant le tableau de Mendeléev. De même, l’atome Li (Z = 3), constitué de 3 p+ et de 3 e–, devrait avoir une masse équivalente à celle de 3 atomes H ; or sa masse atomique relative est 7.

Quand on dit, par exemple, que la masse atomique relative de l’oxygène est 16, cela signifie que l’atome O est 16 fois plus lourd que l’atome H.

Le modèle atomique de Rutherford ne permet pas d’expliquer d’où vient cette différence de masse.

Ainsi, si on imaginait une balance ultrasensible capable de peser 1 atome, il faudrait placer 1 atome O sur un des plateaux et 16 atomes H sur l’autre plateau pour obtenir l’équilibre.

Pour expliquer le fait que la masse atomique relative de l’atome He est 4 et non 2 et que celle de l’atome Li est 7 et non 3, les scientifiques émirent, vers 1920, l’hypothèse de l’existence de particules supplémentaires dans le noyau de l’atome.

UAA1 Constitution et classification de la matière

Tu détermineras aisément le nombre de neutrons présents dans le noyau d’un atome en effectuant le calcul suivant : nombre de neutrons = Ar (arrondie) – Z J. Chadwick

Comme les atomes sont électriquement neutres (ils sont constitués d’un même nombre de protons et d’électrons, de charge égale mais de signe contraire), ces particules supplémentaires doivent donc être électriquement neutres : c’est pourquoi les scientifiques leur donnèrent le nom de neutrons. C’est seulement en 1932 que J. Chadwick11 confirma expérimentalement l’existence du neutron et que sa masse fut mesurée comme étant pratiquement équivalente à celle du proton et donc de l’atome H.

Ainsi, – dans le noyau de l’atome He, le nombre de neutrons étant égal à 2 (Ar(4) – Z(2)), le noyau de l’atome He contient donc 2 protons et 2 neutrons ; – dans le noyau de l’atome Li, le nombre de neutrons étant égal à 4 (Ar(7) – Z(3)), le noyau de l’atome Li contient donc 3 protons et 4 neutrons. La masse atomique relative d’un atome équivaut pratiquement à la somme du nombre de ses protons et de ses neutrons. Le modèle atomique de Rutherford-Chadwick La découverte du neutron par Chadwick obligea les scientifiques à revoir le modèle atomique de Rutherford.

W. Heisenberg

W. Heisenberg12 vérifia ensuite que les neutrons faisaient partie intégrante du noyau, et proposa dès lors le terme nucléon pour désigner une particule du noyau atomique, qu’elle soit proton ou neutron. Un neutron n° est un nucléon, particule du noyau atomique, de masse équivalente à celle d’un proton (ou d’un atome H) mais sans charge électrique. L’existence du neutron nous permet de lever les incompréhensions formulées plus haut. Ainsi, – la masse atomique relative de He est 4 parce que son noyau est constitué de 2 protons et de 2 neutrons ; – la masse atomique relative de Li est 7 parce que son noyau est constitué de 3 protons et de 4 neutrons.

Quand un modèle scientifique ne permet plus de rendre compte des observations faites, les scientifiques élaborent d’autres modèles. La mise à l’épreuve de ceux-ci aboutit à l’émergence de l’un d’entre eux qui est alors retenu par la communauté scientifique jusqu’à ce qu’il devienne, à son tour, éventuellement insatisfaisant. C’est ainsi qu’après le modèle de Rutherford, émergea un nouveau modèle atomique que nous appellerons « modèle de Rutherford-Chadwick » : Tout atome, électriquement neutre, est composé : • d’un noyau qui comprend : – un ou plusieurs protons ce sont – zéro, un ou plusieurs les nucléons neutrons • d’électrons qui évoluent autour du noyau, en nombre égal à celui des protons. Ainsi, la composition de l’atome lithium est : • nombre de protons = Z = 3 • nombre d’électrons = Z = 3 3 • nombre de nucléons = Ar (arrondie) = 7 •  nombre de neutrons = Ar (arrondie) – Z = 7 – 3 = 4 6,94

11. J. Chadwick (1891-1974), physicien anglais, prix Nobel 1935. 12. W. Heisenberg (1901-1976), physicien allemand, prix Nobel 1932.

4 • Évolution du modèle atomique

Le modèle de l’atome lithium peut-être schématisé comme ci-dessous :

Ainsi, •  la couche K est une région autour du noyau où se situent les électrons de niveau d’énergie n = 1 ; •  la couche L est une région autour du noyau où se situent les électrons de niveau d’énergie n = 2 ; et ainsi de suite comme le montre le schéma ci-dessous. L

K n=

: proton

Noyau

: neutron : électron

Avec certains renseignements fournis par le tableau de Mendeléev, tu peux déterminer la composition de n’importe quel atome.

Le modèle atomique de Bohr Tu viens de t’approprier le modèle atomique de Rutherford-Chadwick : l’atome est constitué d’un noyau (composé de protons et de neutrons) et d’électrons évoluant autour du noyau, « comme des mouchettes autour d’une lampe allumée ». Confrontés à de nouvelles observations de différents phénomènes, les scientifiques ont été amenés à préciser la structure électronique des atomes. C’est à partir de l’étude de la lumière émise par certains atomes chauffés, principalement l’hydrogène, que Niels Bohr et ses collaborateurs ont élaboré, en 1913, un nouveau modèle atomique.

OPQ M N

2 n= n= 3 n= 4 n=5 n= 6 n= 7

L’écart entre les différentes couches diminue au fur et à mesure qu’on s’éloigne du noyau. Ainsi, on peut voir qu’il est plus grand entre les couches K et L qu’entre les couches L et M, et ainsi de suite. Répartition des électrons dans les couches Grâce au modèle de Bohr, il devient possible de proposer une répartition des électrons par couche. De même que, pour remplir une salle de concert, les fans occupent d’abord la première rangée près de la scène, puis la seconde et ainsi de suite, de même les électrons d’un atome se répartissent d’abord en saturant la couche la plus proche du noyau, puis la seconde et ainsi de suite jusqu’à ce que tous les électrons soient distribués. Suivant ce modèle : •  chacune de ces couches (selon le type d’atome) est occupée par un ou plusieurs électrons ; •  les électrons, chargés négativement, exercent entre eux une force de répulsion : il ne peut donc y en avoir qu’un nombre limité sur chaque couche. Le nombre maximal d’électrons que l’on peut trouver sur une couche est égal à 2n 2, n  étant le niveau d’énergie de cette couche. Ainsi, on peut avoir au maximum : – sur la couche K (n = 1) : 2 × 12 = 2 électrons ; – sur la couche L (n = 2) : 2 × 22 = 8 électrons ; – sur la couche M (n = 3) : 2 × 32 = 18 électrons ; – sur la couche N (n = 4) : 2 × 42 = 32 électrons.

Les couches électroniques Le modèle de Rutherford-Chadwick a dû être modifié en imaginant que les électrons se situent sur des couches électroniques distinctes, K, L, M, N… correspondant à différents niveaux d’énergie.

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Cette règle est sans doute utilisable pour les couches O, P, Q mais n’est pas vérifiable car ces couches ne sont jamais complètes dans les atomes existant dans la nature ou produits artificiellement. Le tableau suivant donne, par couche, la répartition des électrons des 18 premiers atomes.

chacune des cases à gauche du symbole atomique.

couche couche couche atome K L M répartition (n = 1) (n = 2) (n = 3) H 1 K1 He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

1 2 3 4 5 6 7 8 8 8 8 8 8 8 8 8

1 2 3 2e4– sur la couche 5 K 6 7e7– sur la couche 8 L

K2 K2 L1 K2 L2 K2 L3 K2 L4 K2 L5 K2 L6 K2 L7 K2 L8 K2 L8 M1 K2 L8 M2 K2 L8 M3 4,0 3 K2 L8 M4 2 K2 L8 M5 K2 L8 M6 K2 L8 M7 7 K2 L8 M8 19,00

Les électrons de la couche la plus externe sont appelés électrons externes (ou de valence) et les électrons des autres couches sont appelés électrons internes (ou de cœur). Grâce à ce tableau, tu peux aisément établir que l’atome chlore, par exemple, a, sur sa couche M, 7 électrons externes (ou de valence). Les 10 électrons des couches intérieures K et L sont les électrons internes (ou de cœur). La répartition des électrons d’un atome peut être représentée de manière schématique. Ainsi , pour l’atome F possédant un total de 9 e–, on dessinera :

pour l’atome Al possédant un total de 13 e–, on dessinera :

L (7 e– )

M (3 e–)

K (2 e )

L (8 e– )

–

K (2 e– ) +

Ainsi, l’analyse du contenu des cases du fluor et de l’aluminium, reprises ci-dessous, te permettra de retrouver la répartition des électrons selon le modèle de Bohr. 2e– sur la couche K

7e– sur la couche L

2e– sur la couche K

8 3

3e– sur la couche M

8e– sur la couche L

19,00

3e– sur la couche M

1,5

Al 26,98

Résumé de nos connaissances sur l’atome Nous pouvons, à présent, résumer nos connaissances au sujet du modèle atomique, en faisant la synthèse des modèles de Rutherford- Chadwick et de Bohr : •  un atome, assimilé à une sphère, est constitué –  d’un noyau, contenant un ou des protons (p+) et 0, 1 ou plusieurs neutrons (n°) ; –  d’électrons (e–) qui gravitent autour du noyau sur des couches électroniques appelées, en partant du noyau, K, L, M, N… et pouvant contenir respectivement un maximum d’électrons égal à 2, 8, 18, 32… •  à l’état isolé, les atomes sont électriquement neutres car ils contiennent le même nombre de protons et d’électrons ; •  les protons et les neutrons ont approximativement la même masse (1,67 . 10–27 kg) et l’électron est environ 1 836 fois plus léger que le proton ou le neutron : la masse de l’atome est donc concentrée dans son noyau ; Particule Symbole atomique

noyau Pour retrouver le nombre d’électrons sur les différentes couches de n’importe quel atome, il suffit de consulter le tableau de Mendeléev : la répartition des électrons est indiquée dans

4,0

2 13

8e– sur la couche L

2e– sur la couche K

Masse (kg)

Masse relative

proton

1,67 . 10–27

neutron

1,67 . 10–27

Autour électron du noyau

e–

9,1 . 10–31

1/1 836

Dans le noyau

4 • Évolution du modèle atomique

•  le diamètre d’un atome est de l’ordre de 10 –10 m et le diamètre du noyau est 100 000 (10 5) fois plus petit, c’est-à-dire qu’il y a beaucoup de vide dans un atome ; le volume de l’atome est déterminé par le rayon de la dernière couche électronique occupée.

Carte d’identité de l’atome Nous pouvons, à présent, retrouver les principales caractéristiques de n’importe quel atome en déchiffrant sa case dans le tableau de Mendeléev. Numéro atomique

Couches (avec répartition des électrons sur les couches)

K L M

(nombre d’électrons ou de protons)

X Ar

Symbole Masse atomique relative

1 C aractérise l’électron, le proton et le neutron selon trois critères : la position dans l’atome, la charge électrique et la masse de la particule.

L’électron ��

Le proton

��

Le neutron ��

2 Donne le nom et le symbole des atomes dont le numéro atomique Z vaut : 7, 19, 26, 47.

Nom

Symbole

��

UAA1 Constitution et classification de la matière

3 Donne le nom et le symbole des atomes dont la masse atomique relative Ar arrondie vaut : 19, 31, 64, 127. Ar arrondie

Nom

Symbole et Ar précise

��

127

��

4 Recherche dans le tableau de Mendeléev le numéro atomique et la masse atomique relative des atomes suivants : calcium, zinc, chlore, plomb. Nom

Calcium

��

Zinc

��

Chlore

��

Plomb

��

5 Détermine le nombre de protons, neutrons et électrons présents dans les atomes suivants : fer, magnésium, brome, argent. Atome

Nbre p+

Nbre n°

Nbre e⁻

��

6 Cherche le nom des atomes qui ont respectivement :

a) 8 p+ : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � b) 13 e– : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � c) 10 n° : � � � � � � � � � � � ou �� 7 Trouve le nom des atomes qui possèdent respectivement :

a) 9 électrons et 10 neutrons : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � b) 24 protons et 28 neutrons : � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

4 • Évolution du modèle atomique

8 Complète le tableau suivant : Symbole atomique

��

I ��

Numéro atomique (Z) 16 ��

Masse atomique relative (Ar) arrondie

Nombre de protons (p+)

Nombre d’électrons (e–)

Nombre de neutrons (n°)

��

207

9 Quel modèle fut proposé

–  pour expliquer la neutralité électrique d’un atome ? � � � � � � � � � � � � � � � � � � et �� –  pour expliquer qu’il est facilement traversé par des particules α ? � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � –  pour expliquer que parfois les particules α ricochent sur un obstacle ? � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 10 Cite le nom des scientifiques ayant œuvré à l’élaboration des modèles successifs de l’atome qui t’ont été présentés. Caractérise chacun des modèles par rapport à celui qui le précède.

��

11 Attribue, à chaque scientifique cité, le modèle qui te semble le plus approprié.

1. Dalton ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 2. Thomson ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � 3. Rutherford ➜ � � � � � � � � � � � � � � 4. Bohr ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 38

UAA1 Constitution et classification de la matière

e– e–

e–

12 Complète les phrases suivantes :

Tous les atomes sont constitués d’un � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � chargé � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � et d’ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � chargés

................................,

en mouvement autour de lui.

Les atomes ont une charge électrique globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ce qui signifie qu’il y a autant de � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � que d’ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � dans un atome. Le noyau d’un atome est constitué de ................................, ��

tandis que les

qui ont une charge

��

portent une charge

Les électrons sont situés sur des � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � électroniques qui peuvent compter un nombre maximal d’électrons égal à �� , n étant le niveau d’énergie de la � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � . 13 À l’aide du modèle de Bohr et du tableau de Mendeléev :

a) donne la répartition, par couche, des électrons dans les atomes O , Na , Ca , Cl ; Élément

Répartition des e– par couche K

��

b) détermine le nombre d’électrons internes (de cœur) et externes (de valence) de ces différents atomes. Élément

e– de coeur

de valence

��

14 Donne le nom des atomes possédant la répartition électronique suivante :

a) 2 ; 8 ; 8 ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � b) 2 ; 8 ; 8 ; 2 ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � c) 2 ; 8 ; 18 ; 5 ➜ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

4 • Évolution du modèle atomique

15 Dessine l’atome b) de l’exercice 14 selon le modèle de Bohr.

16 Quel est le nom des atomes représentés ci-après ?

M L K

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

L K

.........................

17 À partir de la case du tableau de Mendeléev reproduite ci-dessous, établis la carte d’identité complète de l’atome phosphore.

2 15 8

5 30,97 ��

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Découvrons le « nanomonde »

Jusqu’à ce jour, pour fabriquer des matériaux plus petits (des microcomposants), c’est une voie dite « descendante » (« top-down », en anglais) qui était utilisée. Les scientifiques partaient, en effet, d’un matériau macroscopique qu’ils divisaient ou sculptaient jusqu’à l’obtention de l’« objet » le plus petit possible. Ce travail de miniaturisation a conduit à des composants micrométriques (c’est le cas des puces électroniques, par exemple) et a atteint, à l’heure actuelle, des tailles de l’ordre de 100 nanomètres (nm)13. À présent, en adoptant une voie dite « ascendante » (« bottom-up », en anglais), les scientifiques assemblent des atomes pour construire des molécules (microscopiques) que l’on intègre ensuite dans des systèmes plus grands. Les nouveaux matériaux ainsi obtenus recèlent de nouvelles propriétés et permettent d’envisager l’exploitation de phénomènes qui n’apparaissent qu’à cette échelle infiniment petite. Un monde nouveau est en train de naître : c’est le nanomonde, le monde des nanosciences et des nanotechnologies. Cette révolution nous promet des matériaux beaucoup plus petits, plus légers et moins chers. Elle ouvre la voie à des ordinateurs plus performants, des traitements médicaux plus efficaces, des applications environnementales extraordinaires. Un des premiers domaines qui a utilisé la nanotechnologie est la cosmétologie, la « science » des soins de beauté. Pour améliorer l’efficacité des crèmes et des onguents, elle a recours à des nanoparticules de substances actives.

13. Le préfixe « nano » vient du grec et signifie « nain, très petit ». Le nanomètre est égal à 10–9 m.

4 • Évolution du modèle atomique

Une autre application prometteuse est la création de nanostructures englobant des vitamines, des médicaments, des anti-oxydants, destinées à atteindre plus rapidement leurs sites d’action. À la base de cette révolution on trouve le nanotube de carbone et les fullerènes. • Le nanotube de carbone se présente comme un feuillet de carbone graphite enroulé sur lui-même comme un cigare. Il est formé par l’assemblage d’atomes carbone disposés en réseau hexagonal, à la manière d’un nid d’abeilles. Le diamètre du tube est de l’ordre du nm (10–9 m), mais sa longueur peut atteindre plusieurs micromètres (10–6 m). Cette structure stable et relativement simple donne à ce matériau des propriétés mécaniques surprenantes : il est 6 fois plus léger et 100 fois plus résistant que l’acier. • Les fullerènes sont des molécules constituées d’atomes carbone agencés en forme de petites cages, ressemblant à des ballons de football. Ces molécules « creuses » peuvent contenir des molécules plus petites et servir ainsi de transporteurs. Une autre réalisation se révèle très intéressante : un revêtement nanomodifié qui ne se mouille pas et qui reste propre même dans un environnement boueux. La surface est tapissée de nano cristaux formant des pointes minuscules qui font que les grains de saleté adhèrent peu et sont emportés facilement à la première pluie ou au premier lavage. La fabrication de telles surfaces permettra, à terme, de nombreuses applications : des vêtements imperméables, des revêtements antibactériens pour la cuisine et les sanitaires, des vitres non-salissantes pour les maisons et les autos, des tuiles autonettoyantes… Avec le nanomonde, les applications se multiplient et nous pouvons, sans doute, nous attendre dans l’avenir à de nombreuses autres innovations tout aussi révolutionnaires et géniales.

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5 D

Tableau périodique des éléments

imitri Mendeléev a son nom incontestablement lié au tableau des éléments chimiques.

Grâce au classement qu’il ébaucha, et que d’autres complétèrent, les chimistes disposent aujourd’hui d’un outil de travail indispensable.

Ressources et processus à mobiliser À la fin de ce chapitre, tu seras capable de… SAVOIRS définir ➜ élément, ➜ période, ➜ famille  ; dire le nombre de périodes et le nombre de familles « a » que compte le tableau périodique des éléments.

SAVOIR-FAIRE construire un graphique et l’interpréter ; montrer comment la lecture du graphique « rayon atomique en fonction du numéro atomique » a permis d’aboutir à la notion de période ; situer une période et une famille dans le tableau périodique ; situer, dans le tableau périodique, un élément dans sa période et sa famille ; analyser une case du tableau périodique pour en extraire un maximum de renseignements (numéro atomique, nombre d’électrons et de protons, masse atomique relative, nombre de neutrons, numéro de la période, numéro et nom de la famille).

PROCESSUS connaître le nom et le symbole des 20 premiers éléments du tableau périodique plus ceux des métaux usuels (C8) ; modéliser la répartition des particules subatomiques selon le modèle de Bohr (A2).

UAA1 Constitution et classification de la matière

Depuis l’étude du modèle atomique de Bohr, tu sais que les électrons gravitent autour du noyau sur différentes couches électroniques. Plus il y a d’électrons, plus il y a de couches. Cela implique que le rayon d’un atome dépend du nombre de ses électrons et donc du numéro atomique Z. À l’heure actuelle, les scientifiques disposent des valeurs des rayons atomiques. Tu vas découvrir qu’en mettant en relation le rayon des atomes et leur numéro atomique, tu aboutiras à une première classification.

Réaliser un graphique en vue de valider la disposition des éléments dans le tableau de Mendeléev Pour réaliser le graphique, voici un tableau indiquant les rayons atomiques des vingt premiers atomes, en regard de leur numéro atomique. Symbole atomique

r (pm)1

Symbole atomique

r (pm)1

191

160

157

143

112

118

110

104

154

235

112

197

À l’aide des données du tableau : –  trace le graphique représentant le rayon atomique (r) en fonction du numéro atomique (Z) ; – accompagne chaque point du symbole de l’atome ; – relie, par un trait continu, les différents symboles atomiques dans l’ordre croissant du Z ; – précise en combien de groupes distincts apparaissent sur le graphique.

1. Un picomètre (pm) vaut 10 –12 m.

5 • Tableau périodique des éléments

À son époque, il ne parlait pas d’atomes mais d’éléments.

Les périodes L’analyse du graphique du rayon atomique r en fonction du numéro atomique Z révèle des groupes d’atomes présentant une similitude dans la disposition. K

r (pm) 220 170 120

Na Li

Ne He Be B 70 C N O F H 20 0 5 10

Mg Al Si

Ar P

Ce concept permet de passer du monde atomique microscopique au monde macroscopique.

Ainsi, dans la matière, l’ensemble des atomes C (Z = 6) constitue l’élément « carbone » ; l’ensemble des atomes Fe (Z = 26) constitue l’élément « fer »…

S Cl Z

Nous pouvons voir qu’à l’exception du groupe formé par H et He, une même disposition se reproduit deux fois : – le groupe Li, Be, B, C, N, O, F et Ne ; – le groupe Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl et Ar. Nous devinons aussi l’ébauche d’une troisième disposition analogue K, Ca… Chacun de ces groupes correspond, dans le tableau de Mendeléev, à une ligne horizontale du tableau. La relation entre le rayon des atomes et leur numéro atomique nous a donc permis de découvrir que les 20 premiers atomes se classent en 4 groupes ; ils correspondent aux 4 premières lignes horizontales du tableau de Mendeléev. Ces lignes horizontales sont appelées « périodes » par les chimistes pour rappeler la périodicité dans la disposition des atomes. Les chimistes appellent période chaque ligne horizontale du tableau de Mendeléev. En 1869, Mendeléev ne connaissait ni les électrons, ni les protons, ni les neutrons. En effet, les modèles atomiques de Thomson, Rutherford, Chadwick et Bohr ne furent élaborés qu’à partir de 1890.

Pour les chimistes, l’ensemble des atomes de même numéro atomique Z constitue un élément .

UAA1 Constitution et classification de la matière

La matière est caractérisée par les éléments qui la composent : l’élément carbone, l’élément fer, l’élément silicium, l’élément oxygène, l’élément cuivre… Le classement que nous venons d’ébaucher à partir des atomes s’applique donc à tous les éléments. C’est pourquoi le tableau de Mendeléev est aussi appelé tableau périodique des éléments (TP). En observant le tableau de Mendeléev, placé à la fin du livre-cahier, tu peux observer qu’il y a en tout 7 périodes (numérotées de 1 à 7) : •  la 1re période ne contient que 2 éléments : H et He ; •  les 2e et 3e périodes contiennent chacune 8 éléments ; •  les 4e, 5e, 6e et 7e périodes contiennent respectivement 18, 18, 32 et 32 éléments. Pour ces périodes, les éléments se trouvant dans les colonnes intermédiaires ou colonnes « b » sont les éléments de transition. Pour les 6e et 7e périodes, 2 groupes particuliers sont détachés de la ligne afin de ne pas étaler démesurément le tableau : •  dans la 6e période, entre le lanthane et l’hafnium, les lanthanides (éléments qui suivent le lanthane) sont reportés en bas du tableau ; •  dans la 7e période, entre l’actinium et le rutherfordium, les actinides (éléments qui suivent l’actinium) sont reportés en bas du tableau.

Tu observeras et retiendras que, dans le tableau périodique, le numéro de la période correspond au nombre de couches électroniques des éléments de cette période. Ainsi, •  la période 1 rassemble les éléments possédant 1 couche : K ; •  la période 2 rassemble les éléments possédant 2 couches : K et L ; •  la période 3 rassemble les éléments possédant 3 couches : K, L et M. L’extrait du tableau périodique ci-dessous montre la succession des couches électroniques pour les 3 premières périodes. 1

2,1

2 3

1,0

1,5

12,01

13 1,5

14 1,8

2 8

Na Mg Al22,99

1,2

24,31

10,81

2,5

26,98

1,0

Li 6,94

1,5

Be 9,01

2,0

B 10,81

2,5

C 12,01

3,0

N 14,01

3,5

O 16,00

4,0

F 19,00

–

Ne 20,18

– pour ceux de la 3e période, la phrase : « Napoléon Mangea Allègrement Six Poulets Sans Claquer d’Argent »

2 11

M 1

0,9

2 12

1,2

2 13

1,5

Na Mg Al8

22,99

24,31

26,98

2 14 8 4

1,8

Si 28,09

2 15 8 5

2,1

P 30,97

2 16 8 6

2,5

S 32,06

2 17 8 7

VIII a 2

1,0

Li 6,94 0,9

–

1,01

4,00

1,5

Be 9,01

2 12

4,0

F 19,00

2 17

3,0

Cl-

–

Ne 20,18

2 18

–

8 1

2 19

39,10

40,08

79,90

83,80

22,99 0,8

1,2

24,31

2 20 8

1,0

8 7

35,45

2 35 8

0,8

8 8

39,95

2 36 8

–

Tu y trouves, à gauche du symbole de chaque élément, le nombre d’électrons dans les différentes couches K, L, M, N.

– F, Cl, Br…

28,09

– pour les éléments de la 2e période, la phrase : « Liliane Becta Bien Chez Notre Oncle François Nestor » 3

VII a

– Be, Mg, Ca… ont 2 électrons externes ;

Pour retenir, dans l’ordre, le nom des éléments des 2e et 3e périodes, nous te proposons un moyen mnémotechnique original : mémoriser les phrases suivantes :

K 2

II a 2,1

– H, Li, Na, K… ont 1 électron externe ;

9,01

0,9

6,94

2,0

Tu peux voir que les éléments de chacune des colonnes verticales possèdent le même nombre d’électrons externes :

1,01 3

C O U C H E S

3,0

Cl35,45

2 18 8 8

–

Ar 39,95

Les familles Les familles a Voici un autre extrait du tableau périodique des éléments :

ont 7 électrons externes ;

– Ne, Ar, Kr… ont 8 électrons externes, à l’exception de He (qui en a seulement deux). C’est parce que les éléments de chacune des colonnes verticales du tableau ont des propriétés semblables que les chimistes ont dénommé ces colonnes « familles ». Les chimistes appellent famille chaque colonne du tableau de Mendeléev. Il y a 8 familles principales : : les alcalins (de l’arabe alcali, – famille Ia  « soude ») ; terreux (se situent – famille IIa : les alcalino- entre les alcalins et les terreux) ; – famille IIIa : les terreux (l’aluminium est l’un des éléments les plus abondants dans la croûte terrestre) ; – famille IVa : les carbonides (de la famille du carbone) ; – famille Va : les azotides (de la famille de l’azote) ; – famille VIa : les sulfurides (de la famille du soufre) ;

5 • Tableau périodique des éléments

– famille VIIa : les halogènes (engendrant les sels ; halos signifie « sel » en grec) ; – famille VIIIa : les gaz inertes (se distinguant par leur absence presque totale de réactivité).

Soufre : élément sulfuride

Les familles b Sodium : élément alcalin

Les colonnes centrales du TP regroupent les 8 familles b, situées entre les familles IIa et IIIa. Les éléments de ces familles ont une structure électronique plus complexe que les éléments des familles a. Pour les éléments les plus connus de ces familles b, l’information utile te sera fournie lorsque l’opportunité se présentera.

1 Quelle est la caractéristique des éléments

a) d’une même période ? ��

b) d’une même famille ? ��

2 En t’aidant du tableau périodique, cite 3 éléments alcalins, 2 éléments carbonides et 3 éléments halogènes.

Alcalins : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbonides : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Halogènes : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Quel est l’élément faisant partie

a) de la période 3 et de la famille IVa ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . b) de la période 4 et de la famille IIa ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

UAA1 Constitution et classification de la matière

4 Complète le tableau suivant : Nom de l’élément

Symbole

N° de la période

N° de la famille

Nom de la famille

��

Brome

��

Magnésium

��

Étain

��

5 Complète le tableau ci-dessous :

Élément Symbole Z

Nombre total de particules e– p+ no

Calcium

Numéro Nombre Numéro et nom de d’électrons de la la famille externes période « a »

Structure en couches électroniques K

��

6 Après consultation du tableau périodique, quels renseignements peux tu fournir à propos des éléments de numéro atomique Z valant respectivement 1, 6, 8 et 11 ?

Numéro Symbole et Période atodénominamique Z tion 1

Couches électroniques

Famille Nbre e- Valence couche externe

Électronégativité χ

��

Nbre de couches électroniques

��

5 • Tableau périodique des éléments

Numéro Symbole et Période atodénominamique Z tion 8

Nbre de couches électroniques

Couches électroniques

Famille Nbre e- Valence couche externe

Électronégativité χ

��

7 Complète le texte suivant :

« Alors qu’il ne connaissait ni les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ni les . . . . . . . . . . . . . . . . . . , ni les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , qui furent découverts plus tard successivement par Th. . . . . . . . . . . . . . . . , R. . . . . . . . . . . . . . . . . . et Ch. . . . . . . . . . . . . , le chimiste russe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . publia une classification des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dans son tableau, les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . étaient déjà classés par ordre croissant de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . atomique. La version actuelle de son . . . . . . . . . . . . . . . . . . . comporte des lignes horizontales appelées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ; elles sont au nombre de . . . . . . . . . . . . . . Dans une même . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , les éléments ont le même nombre de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . électroniques. Le tableau comporte aussi des colonnes verticales appelées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . parmi lesquelles on distingue les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . « b »

...................

« a » au nombre de

................

et les

regroupant des éléments de . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Dans une même . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , les éléments ont le même nombre d’. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . externes. Le modèle qui situe les . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . sur des . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . autour du noyau atomique a été élaboré par B. . . . . . . . . . . Dans toutes les classes et laboratoires de . . . . . . . . . . . . . . . . . . , on retrouve ce fameux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . appelé aujourd’hui « tableau

......................

nom de « tableau de M. . . . . . . . . . . . . . . . ».

UAA1 Constitution et classification de la matière

des

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . »,

aussi connu sous le

À la recherche de la loi périodique

Comme beaucoup de chimistes avant lui, Mendeléev pressentait l’existence d’une périodicité dans les propriétés des éléments. Il s’attacha à trouver cette « loi périodique ». Il disposait d’informations éparses sur la soixantaine d’éléments connus à son époque : masses atomiques relatives, valences, diverses propriétés physico-chimiques et sans doute des notes sur les tentatives de classification de ses prédécesseurs. Après de nombreux essais de classification, il proposa son « tableau des éléments » dans lequel les périodes sont disposées différemment par rapport à la version actuelle. Depuis son époque, le tableau des éléments a évolué pour aboutir à celui que nous utilisons aujourd’hui. Le prolongement et la mise à jour de sa classification s’effectuèrent au fur et à mesure de la découverte de nouveaux éléments : les gaz inertes, par exemple, ne furent identifiés qu’à la fin du 19e siècle. Dans sa version actuelle, le tableau périodique des éléments est le résultat de la maturation de plusieurs versions successives. Il a la particularité unique de figurer dans toutes les universités et dans toutes les écoles de tous les pays du monde.

5 • Tableau périodique des éléments

Première classification périodique de Mendeléev (1869)

Tableau périodique allemand

Parfois, il peut prendre une forme particulière :

UAA1 Constitution et classification de la matière

Avant-propos �� V Comment utiliser ce livre-cahier ? �� VI Qu’est-ce que la chimie ? ��VIII

UAA1 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5 Chapitre 6 Chapitre 7

Modèle moléculaire de la matière ��2 Pour en savoir plus… Du bleu de méthylène dans l’aquarium ! ��9 Modèle atomique de la matière ��10 Pour en savoir plus… Origine du nom des atomes ��17 Composition des molécules ��18 Pour en savoir plus… Des molécules ordinaires… pas toujours ��26 Évolution du modèle atomique ��27 Pour en savoir plus… Découvrons le « nanomonde » ��41 Tableau périodique des éléments ��43 Pour en savoir plus… À la recherche de la loi périodique ��51 Des ions monoatomiques à l'électronégativité des métaux et non-métaux ��53 Pour en savoir plus… Les alliages, de géniaux mélanges ��66 Concentration massique d’une solution ��68 Pour en savoir plus… À propos du sel… ��76

UAA2 Chapitre 1 Chapitre 2 Chapitre 3 Chapitre 4 Chapitre 5

Dissolution, transformation chimique et loi de la conservation de la masse ��80 Pour en savoir plus… Propos sur Lavoisier ��90 Réaction chimique. Équation chimique : écriture et signification ��92 Pour en savoir plus… Une réaction chimique qui sauve des vies… �� 101 Établissement des formules moléculaires �� 102 Pour en savoir plus… Il y a eau et « eau » ! �� 111 Classification et obtention des corps minéraux �� 112 Pour en savoir plus… Un déboucheur acide ou un déboucheur basique ? �� 126 Le bon emploi des substances chimiques au laboratoire et au quotidien �� 127 Pour en savoir plus… Signification de quelques pictogrammes commerciaux �� 136

En guise de conclusion �� 138 Annexes �� 139 Annexe 1 Tables de données �� 140 Annexe 2 Matériel de laboratoire �� 142 Annexe 3 Techniques de laboratoire �� 145 Annexe 4 Canevas de rapport de laboratoire �� 149 Annexe 5 Codes et mentions de danger et de prudence �� 150 Annexe 6 Liste des réactifs utilisés lors des expériences décrites dans ce livre-cahier �� 154 Index �� 155

Table des matières

157