Chapitre 1 : Modèle de l`atome

Chapitre 1 : Modèle de l'atome
I. Structure de l'atome
1. Historique
(Montrer l'animation Flash® "évolution modèle atome dans l'histoire.swf")
Déjà les Grecs avaient supposé qu'il existe des grains de matière.
(Démocrite (Ve siècle avant JC) : "L'Etre consiste en une infinité d'atomes qui se meuvent dans le vide."
A-tomos = qui ne peut être coupé, insécable.
Au XIXème siècle de nombreuses expériences ont apporté des preuves indiscutables de l'existence des atomes.
• Dalton (1808) : reprend les idées des grecs : atome = sphère pleine et compacte
• Crookes (1878) : découvre les rayons cathodiques (ceux de la télé à tube)
• Thomson (1897) : découvre l'électron puis imagine l'atome comme une sphère chargée positivement contenant des
électrons chargés négativement
• Niels Bøhr (1913) : imagine le modèle planétaire de l'atome
• Louis de Broglie (1924) : propose une théorie plus élaborée de la structure de l'atome.)
2. Dimensions
Atome = "morceau élémentaire" à partir duquel toute matière est construite. On va supposer qu'il s'agit
d'une sphère de rayon r ≈ 100 pm = 100.10-12 m.
Ex : atome d'hydrogène : rH = 50 pm ; atome de fer : rFe = 120 pm.
Rmq : pour que l'atome ait les dimensions d'un ballon de football, il faudrait grossir un milliard de fois !
3. Masse
Les masses des atomes sont extrêmement petites.
Ex : masse d'un atome d'hydrogène : mH = 1,7.10-27 kg. Pour faire 1 kg d'hydrogène, il faudrait 6.1026
atomes !
4. Expérience de Rutherford
(1911)
(Sir Ernest Rutherford : 1871 –
1937)
(Montrer l'animation Flash®
correspondante)
Obs : presque toutes les particules
traversent la feuille d'or ; rares
sont celles qui sont déviées.
Conclusion : tout se passe comme
si la feuille d'or était constituée de
vide.
La matière a une structure
lacunaire.
Explications :
atome = noyau + électrons.
Les rayons des noyaux sont 100 mille fois plus petits que les rayons des
atomes.
Si on représentait le noyau par une bille de 1 mm, les électrons
graviteraient à une distance de 100 m.
5. Conclusion
Un atome est constitué d'un noyau chargé positivement autour duquel se
déplacent très loin des électrons chargés négativement.
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6. Structure du noyau
Des expériences montrent que le noyau est formé de nucléons et qu'il en existe deux types.
• les nucléons chargés positivement sont les protons (Chadwick, 1932) ;
• les nucléons non chargés sont les neutrons.
7. Quelques données sur l'atome
masse
proton
charge
1,67.10-27 kg + 1,6.10-19 C
neutron 1,67.10-27 kg
0
électron 9,1.10-31 kg - 1,6.10-19 C
La charge portée par un électron est appelée la charge élémentaire et on la note – e. Il n'existe pas de
charge plus petite.
II. Noyau. Isotopie
1. Nombre de masse. Nombre de charge
noyau
(A particules)
(A : nombre de masse)
•
•
protons
(Z : numéro atomique)
neutrons
(N)
2. Représentation du noyau atomique
Quelques exemples :
1
1
H ;
12
6
C ;
A
Z
18
8
•
le nombre de charge, ou numéro
atomique Z, est le nombre de
protons que contient le noyau ;
le nombre de masse A est le
nombre de nucléons dont est fait
le noyau ;
le nombre de neutrons est donc
N = A - Z.
X
O .
Exercices 2 & 4 p 65
Remarque : la masse de l'électron étant 1836 fois plus faible que la masse du proton, la première est
négligeable devant la deuxième. On écrit me- << mp => Z.me- << Z.mp ; donc la masse de l'atome est
pratiquement égale à la masse de son noyau.
3. Isotopie
Des atomes sont isotopes si leurs noyaux comportent le même nombre de protons mais des nombres de
neutrons différents.
12
13
14
Exemple :
6 C
6 C
6 C
98,9%
1,1%
traces
Exercice 9 p 65
4. Ions
Rappel : ion = atome ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Un ion positif est un cation, un ion négatif est un anion.
Dans un ion le noyau ne change pas, donc A et Z non plus !
Exercice 7 & 11 p 65
5. Élément chimique
Un élément chimique représente l'ensemble des atomes ou des ions dont le noyau contient le même
nombre de protons Z.
Au cours d'une transformation chimique, il y a conservation des éléments, ce qui signifie qu'on retrouve
dans les produits tous les éléments chimiques qu'il y avait au départ.
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Exercices
Exercice 2 p 65
1. D'après l'énoncé, A = 32 et N = 16.
2. On en déduit que Z = A – N = 16.
Exercice 4 p 65
1. D'après l'énoncé, A = 59 et Z = 28. Puisque l'atome est électriquement neutre, il y a donc Z = 28
électrons.
2. Il y a N = A – Z = 59 – 28 = 31 neutrons dans le noyau de l'atome de nickel.
Exercice 7 p 65
1. Il s'agit d'un cation car, comme il y a plus de protons que d'électrons, sa charge est positive.
2. Sa formule est donc X2+.
Exercice 9 p 65
1. Oui car ils ont le même numéro atomique Z.
2. 32He : 2 protons, 3 nucléons dont 1 neutron.
4
2
He : 2 protons, 4 nucléons dont 2 neutrons.
Exercice 11 p 65
symbole
7
3
Nombre protons
Nombre neutrons
Nombre électrons
lithium
3
4
2
C
carbone
6
6
6
oxygène
8
8
10
chlore
17
18
17
Li
12
6
16
8
Nom élément
+
O
35
17
2-
Cl
Exercice 13 p 66
1. Si l'atome de fer a perdu 3 électrons, alors l'ion est chargé 3 fois " + " : Fe3+.
2. Si l'atome d'oxygène a gagné 2 électrons, alors il est chargé 2 fois " - " : O2-.
3. Pour que l'ensemble soit neutre, il faut que le nombre de charges positives égale celui des charges
négatives, donc la formule de l'oxyde de fer est [2 Fe3+, 3 O2-].
Exercice 15 p 66
1. Les deux éléments les plus abondants sont l'hydrogène H et l'hélium He.
2. Sur Terre, l'élément le plus abondant est le fer Fe. On le trouve
essentiellement dans le noyau.
3. Le corps humain est composé pour 2/3 d'eau. La molécule d'eau contient
un atome d'oxygène : H2O.
4. On constate d'après les données du tableau que la composition du corps
humain est plus proche de celle du Soleil que de celle de la Terre.
5. Voir ci-contre.
3/4
composition de la Terre
Fe
O
Si
Mg
Ni
autres
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Exercice 16 p 67
nb protons nb neutrons nb électrons Symbole élément notation
4
5
4
Be
9
4
Be
25
30
23
Mn
55
23
Mn
17
18
18
Cl
35
17
Cl -
Exercice 22 p 68
1. Le symbole de l'élément chimique est He car son numéro atomique est Z = 2.
2. Le positon est une particule ayant la même masse que l'électron mais une charge électrique opposée ;
c'est une anti-particule.
3. A = 4 + 4 = 8 et Z = 2 + 2 = 4.
4. Il s'agit de l'élément béryllium Be.
5. Non car on ne trouve pas les mêmes éléments chimiques qu'au début de la réaction.
6. Si le noyau de l'atome de fer contient 30 neutrons et que le nombre de masse du fer est 56, alors c'est
que son numéro atomique est 26. Donc le symbole du fer est 56
26 Fe .
7. Lorsqu'une étoile très massive finit sa vie e explosant, on dit qu'elle crée une supernovæ.
8. La fin de vie d'une étoile dépend de sa masse. Les plus petites, comme le Soleil, finissent en naines
blanches ; les étoiles les plus massives forment un trou noir. Celles dont la masse n'est pas suffisante pour
former un trou noir termineront en étoile à neutron.
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