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Le modèle de l’atome L’élément chimique
1- Une brève histoire de l'atome
1-1 Les quatre éléments
Le Grec Empédocle (vers 492-432 av. J.-C.) divisa la matière en quatre éléments, : l'eau , la terre , l'air , le feu.
Ces éléments sont mus par les forces de l'amour et de la haine. Dans l'amour absolu, ils forment une unité homogène, alors que la haine les sépare. Lorsque ces deux forces entrent en conflit, le mélange des éléments fait surgir les choses matérielles.
1-2 Les grecs atomistes
Démocrite d'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.), expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales.
Démocrite pensait qu'il y avait une infinité d'atomes dans la nature. Certains étaient ronds et lisses, d'autres rugueux et crochus. Et c'est justement parce qu'ils avaient des formes différentes qu'ils pouvaient s'assembler en d'infinies variantes. Mais ils avaient beau être innombrables et différents les uns des autres, ils étaient tous éternels, immuables et indivisibles. (idem lego)
1-3 Découverte de l’électron
En 1897, Thompson découvre le premier composant de l'atome: l'électron, particule de charge électrique négative.
En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thompson".
Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".
1-4 Découverte du noyau
En 1912, Rutherford (physicien néo-zélandais) découvre le noyau atomique. Son nouveau modèle d'atome montre que sa charge électrique positive et que l'essentiel de sa masse est concentré en un noyau quasi-ponctuel. Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau tels des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge - de l'électron attirant la charge + du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes; d'où le nom de modèle d'atome planétaire.
A noter que contrairement à l'atome des Grecs, celui de Rutherford n'est ni indivisible (puisque composite), ni plein puisqu'il contient essentiellement du vide: La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus grande que le diamètre du noyau lui même (diamètre du noyau = 10-15 mètre = 1 Fermi).
Thierry CHAUVET Seconde Sciences Physiques au Lycée
1-5 Découverte des nucléons
Rutherford comprend que le noyau est lui-même composé de nucléons. Ces nucléons sont de deux sortes :
- de charge positive, c'est un proton.
- de charge neutre, c'est un neutron
Le neutron sera effectivement découvert en 1932 par Chadwick.
1-6 L’atome de Bohr
Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome : il situe les électrons sur des orbites particulières nommées couches électroniques ou niveaux énergétiques.
1-7 Vers la physique quantique
Dans les années 1960 le physicien américain Gell-Mann introduisit une nouvelle particule: le quark. Il postula alors que chaque nucléon serait en fait composé de trois quarks (chacun de ces quarks posséderait une charge électrique de 2/3 ou -1/3 ).
2- La composition de l’atome
2-1 Le noyau atomique a). Les constituants
L'atome possède en son centre un noyau, appelé noyau atomique.
Deux types de particules composent le noyau atomique:
- les protons, particules chargées positivement;
- les neutrons, particules électriquement neutres.
Le noyau atomique est donc chargé positivement.
Le terme nucléon désigne les particules du noyau atomique, protons et neutrons.
b). Notation symbolique
Le noyau atomique est représenté symboliquement par la notation: ZAX, où - X correspond au symbole du noyau atomique considéré,
- A est le nombre de nucléons, c'est-à-dire le nombre total de protons et de neutrons, - Z est le numéro atomique, c'est-à-dire le nombre de protons.
EXEMPLE : La notation symbolique d'un noyau atomique de carbone est 126
C
c). Dimension d'un noyau
Le noyau atomique est de forme sphérique; l’ordre de grandeur du rayon est de 10-15 m.
2-2 Le cortège électronique a). Les couches électroniques
Les électrons, en mouvement autour du noyau, constituent le « cortège» électronique du noyau.
Les électrons du cortège électronique se répartissent dans des couches électroniques.
Une couche électronique est repérée par une lettre et ne peut accueillir qu'un nombre limité d'électrons : - la 1ère couche, couche K, est la couche la plus proche du noyau et peut accueillir 2 électrons;
- la 2éme couche, couche L, peut accueillir 8 électrons;
- la 3éme couche, couche M, peut accueillir 18 électrons. Lorsque ce nombre est atteint, la couche est dite saturée. En fait on considère en seconde qu’elle ne contient que 8 places. (valable pour les 20 premiers éléments)
b). Structure électronique de l'atome
Les électrons se répartissent sur les différentes couches électroniques en respectant la règle de remplissage suivante:
- commencer par remplir la couche K;
- une fois la couche K saturée, les électrons qui restent à répartir sont placés sur la couche suivante, la couche L;
- une fois la couche L saturée, les électrons sont placés sur la couche suivante, la couche M. …….
Thierry CHAUVET Seconde Sciences Physiques au Lycée
Le résultat de la répartition des électrons se nomme la structure électronique de l'atome.
EXEMPLE la structure électronique de l'atome de chlore qui possède 1 7 électrons : (K)2(L)8(M)1.
c). Couches interne et externe
La dernière couche de la structure électronique contenant des électrons est appelée la couche externe. Les autres couches occupées par des électrons sont nommées couches internes.
EXEMPLE: L'atome de chlore a pour structure électronique (K)2(L)8(M)1.
La couche externe est la couche M et contient 7 électrons. Les couches internes sont les couches K et L.
3- Les caractéristiques de l'atome
3-1 Dimension de l'atome
L'ordre de grandeur du rayon atomique est 10-10 m.
3-2 Structure lacunaire de l'atome
L'atome est principalement constitué de vide. Il est composé d'un noyau de taille négligeable par rapport à celle de l'atome.
Le rayon de l'atome est 100 000 fois plus grand que celui du noyau.
3-3 Électroneutralité
L'atome est électriquement neutre.
Les électrons et les protons sont les seules particules chargées électriquement. L'atome contient Z protons; le nombre d'électrons est alors égal au nombre de protons présents dans le noyau.
3-4 Masse de l'atome
La masse de l'atome est la somme de la masse de ses différents constituants : m{atome) = Zxm{proton) + (A- Z) x m{neutron) + Zx m{électron)
L'électron est environ 2 000 fois plus léger que le proton, et la masse du proton est très proche de celle du neutron.
On a donc :
m(atome) = Z x m(proton) + (A - Z) x m{neutron) = A x m(nucléon)
4- L’élément chimique
4-1 Définition de l'élément chimique
Toutes les entités chimiques (atome, ion) possédant le même numéro atomique définissent un élément chimique. Tout élément chimique est représenté par un symbole qui permet de l'identifier.
Exemples : O : oxygène ; H : hydrogène ; He : hélium ; N : azote ; ….
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique (nombre de protons)
Les espèces chimiques naturelles présentes dans l'Univers sont constituées d'un ou plusieurs éléments dont le numéro atomique va de 1 (pour l'hydrogène) à 92 (pour l'uranium).
Les éléments de numéro atomique supérieur à 92 peuvent être produits artificiellement.
4-2 Les isotopes
Des noyaux atomiques ayant le même numéro atomique mais des nombres différents de nucléons A sont des isotopes.
Deux isotopes ont donc le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent.
EXEMPLE : les isotopes de l’uranium, ou d l’hydrogène.
Thierry CHAUVET Seconde Sciences Physiques au Lycée
REMARQUE: les atomes correspondants sont également appelés isotopes.
4-3 De l'atome à l'ion monoatomique
a) Un ion monoatomique est un atome dont la couche externe a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Le gain ou la perte des électrons s'effectue toujours sur la dernière couche électronique, la couche externe.
EXEMPLE : lorsque l'atome de sodium perd un électron, il devient un ion de formule Na+, b) Un anion est un atome qui a gagné des électrons; c'est une entité chargée négativement.
c) Un cation est un atome qui a perdu des électrons; c'est une entité chargée positivement.
d) EXEMPLES
Structure électronique de l'ion sulfure S2- sachant que l'atome de soufre a pour numéro atomique 16 : (K)2(L)8(M)6,
4-4 Corps simples et corps composés
Un corps simple est une entité chimique constituée d'un seul élément; si une entité chimique est constituée de plusieurs éléments, on parle de corps composé.
EXEMPLES: La molécule de dihydrogène (H2) est un corps simple, Le chlorure de sodium (NaCl) est un corps composé des éléments sodium et chlore.
4-5 Abondance des éléments chimiques : activité documentaire
1.
Quel est l'élément chimique le plus abondant dans l'Univers ? L’hydrogène2.
Dans le système solaire, où retrouve-t-on l'élément hélium en grande quantité?Dans le Soleil.
3.
Quel est !'élément chimique le plus abondant dans le globe terrestre ? Où se trouve principalement cet élément chimique ?Le fer, dans le noyau de la Terre.
4.
Citer des éléments chimiques appartenant à la catégorie « autres éléments ».Hydrogène, carbone, azote, calcium.
5.
Représenter dans chaque cas l'histogramme des éléments chimiques correspondant aux pourcentages donnés.6.
Les abondances relatives des éléments dans l'Univers et dans le globe terrestre sont-elles les mêmes?Non.
4-6 Conservation des éléments chimiques : TP
Au cours d'une transformation chimique, il y a conservation de tous les éléments mis en jeu.
Thierry CHAUVET Seconde Sciences Physiques au Lycée
