Chapitre 2 : Qu`est-ce que le courant électrique ?

Chapitre 2 :
Qu'est-ce que le courant électrique ?
I) Comprendre la conduction électrique dans les métaux : l'électron.
1) Tous les solides conduisent-ils le courant électriques ?
Voir TP chimie n°1 + le corrigé
Nous avons démontré en travaux pratiques que tous les solides ne conduisent pas le courant
électrique (c'est notamment le cas des matières plastiques ou du verre qui sont des isolants). Au
contraire tous les métaux conduisent le courant électrique, on dit que ce sont des conducteurs.
Comment peut-on expliquer le caractère conducteur des métaux. Pour cela il faut étudier la
constitution de la matière et des métaux. On sait depuis la 4e que la matière est constituée de
molécules elles-mêmes constituées d'atomes. Mais de quoi un atome est-il constitué ?
2) Quelle est la structure de l'atome ?
Voir document structure de l'atome
Correction :
1- Dés l'Antiquité, deux théories s'opposaient pour expliquer la constitution de la matière :
• la théorie des quatre éléments défendue par Thalès, Empédocle ou encore Aristote, qui
affirme que toute la matière résultait d'une combinaison des quatre éléments : la terre, l'eau,
l'air et le feu.
• La théorie atomiste, défendue par Démocrite et qui selon lui affirme que la matière est
constitué d'atomes, particules indivisibles et si petites qu'elles sont invisibles.
2- Le premier scientifique à avoir mis en évidence l'existence des atomes est John Dalton au début
du XIXe siècle.
3- Un atome est constitué d'un noyau entouré de petites particules appelées des électrons.
4- Le noyau est chargé positivement alors que les électrons portent une charge électrique négative.
5- L'atome est électriquement neutre. Cela implique qu'il y obligatoirement autant d'électrons autour
du noyau que de charges positives dans le noyau.
6- E.Rutherford a bombardé une mince feuille d'or avec des particules α, et s'est rendu compte que
très peu de particules étaient déviées. Il en conclu donc que très très peu de particules avaient
rencontré les noyaux des atomes, et que donc ceci étaient très petits par rapport a la taille de
l'atome. Il en a également conclu que les atomes étaient essentiellement constitués de vide.
10−10
=10 5
7- Le quotient diamètre de l'atome / diamètre du noyau donne :
−15
10
Un atome a donc un diamètre 100 000 fois plus grand que son noyau.
8- Si on modélisait le noyau d'un atome par une balle de 12,5cm de diamètre, alors l'atome aurait un
diamètre de 12,5×105 cm = 12,5 km
A retenir :
Un atome est constitué d'un noyau chargé positivement, dans lequel est concentré pratiquement
toute la masse de l'atome et autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement.
Un atome est électriquement neutre, car la charge électrique du noyau est compensée par la
charge électrique des électrons.
La diamètre d'un atome est de l'ordre de 10 -10 m , celui du noyau de 10-15 m. Le noyau est donc
100 000 fois plus petit que l'atome. Entre le noyau et les électrons il n'y a rien, un atome est donc
essentiellement constitué de vide
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Conduction électrique
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Quelques exemples d'atomes : (l'échelle n'est pas respectée)
1+
L'atome d'hydrogène est le plus
simple : il compte 1électron dans
le nuage électronique.
électrons
8+
L'atome d'oxygène compte 8 électrons
dans son nuage électronique
13+
L'atome d'aluminium compte 13
électrons dans son nuage électronique
3) En quoi la structure de l'atome permet-elle de comprendre la conduction électrique dans
les métaux ?
Observons au microscope électronique à effet tunnel, différents métaux :
On constate donc qu'un métal est constitué d'un empilement régulier d'atomes (fig. 14 ; 15 et 16).
Cette disposition spécifique aux métaux permet à certains électrons de se déplacer librement
d'atomes en atomes : on les appelle ainsi des électrons libres (car libres de se déplacer dans le
matériau). En grossissant encore davantage les observations microscopiques, on verrait les électrons
se déplacer de façon aléatoire autour du noyau.
Dans un circuit électrique fermé, la tension aux bornes du générateur crée un mouvement
d'ensemble des électrons libres, qui sont attirés par la borne + du générateur. On obtient ainsi un
mouvement d'électrons de la borne – vers la borne + et qui constitue le courant électrique.
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Dans un matériau isolant, les électrons sont également en mouvement, mais restent au voisinage du
noyau et ne peuvent donc pas se déplacer librement. On dit qu'ils sont liés, et il est alors impossible
de les mettre en mouvement d'ensemble à travers tout le matériau.
A retenir :
On appelle électron libre, tout électron susceptible dans se déplacer d'atomes en atomes dans tout
le matériau.
Dans un métal, le courant électrique est dû au déplacement des électrons libres de la borne
négative vers la borne positive du générateur (soit l'inverse du sens conventionnel de courant
électrique).
Un isolant ne possède pas d'électrons libres.
II) Comprendre la conduction électrique dans les solutions aqueuses :
l'ion.
1) Toutes les solutions aqueuses conduisent-elles le courant électrique ?
Voir TP chimie n°1 + le corrigé
Nous avons montré en TP que l'eau distillée et l'eau sucrée ne conduisent pas le courant électrique.
Au contraire, l'eau salée (solution aqueuse de chlorure de sodium), la solution de sulfate de cuivre,
et l'eau minérale conduisent le courant électrique.
2) Comment expliquer le caractère conducteur de certaines solutions aqueuses ?
Voir document : compositions des solutions aqueuses
Correction :
1- Les molécules sont constituées d'atomes. Les atomes étant électriquement neutres, nous en
déduisons que les molécules le sont également.
2- La formule de la molécule de saccharose est C 12H22O11. Nous en déduisons qu'elle est constituée
de 12 atomes de carbone (C), 22 atomes d'hydrogène (H) et 11 atomes d'oxygène (O).
3- Un cristal ionique est un solide constitué de particules microscopiques chargées électriquement
que l'on appelle des ions.
4- L'eau distillée et l'eau sucrée ne conduisent pas le courant car elles sont constituées de molécules
électriquement neutres.
L'eau salée, l'eau minérale et la solution de sulfate de cuivre contiennent des ions porteurs de
charges électriques. Ces solutions conduisent donc le courant électrique
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3) Quelle est la nature du courant électrique circulant dans les solutions aqueuses ?
Voir expérience migration des ions livre (Belin) p 31
On constate alors que les ions négatifs (ici les
ions permanganate MnO4- en violet) se
déplacent vers la borne positive du générateur.
Les ions positifs (ici les ions cuivre Cu2+ en
bleu) se déplacent vers la borne négative du
générateur.
A retenir :
Dans une solution aqueuse, le courant électrique est dû à la double migration simultanée des
ions : les ions positifs se déplacent dans le sens conventionnel du courant électrique et les ions
négatifs dans le sens contraire.
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