Classe 2M12

Chapitre 2 : La structure atomique
L’atome chez les anciens
Les doctrines antiques se distinguent des théories modernes en ce qu’elles ne s’appuient pas sur une science
expérimentale : elles se basent sur des propos de nature philosophique, elles échafaudent des systèmes, satisfaisants
pour l’esprit, mais sans valeur scientifique. Les spéculations des anciens n’étant pas confrontées à l’expérimentation,
elles donnaient lieu à des disputes sans fin sans aboutir à aucune confirmation. C’est ainsi que chez les philosophes de
l’antiquité grecque, on trouve deux écoles incompatibles :
1) La matière est discontinue
atome : unité de matière indivisible,
indestructible (ατομοσ = a et tomos :
in-sécable)
Cette école admet donc l’existence du vide, qui consiste en l’espace entre deux atomes. On attribue à Démocrite, au
IVème siècle avant J.-C., l’idée que les corps sont formés d’atomes, bien qu’on trouve déjà chez Pythagore, au Vème
siècle avant J.-C., la notion de point matériel. Par ailleurs, d’autres civilisations (Inde antique par exemple), avaient
aussi développé des représentations comparables. Il s’agit toutefois dans tous les cas de conceptions intuitives et de
nature philosophique, non expérimentales, et sans rapport direct avec la science moderne :
Pythagore (Vème siècle avant J.-C.) : « Toute matière est composée de points matériels de grandeur très petite mais non
nulle, et c’est de la figuration de ces points identiques et qualitativement indifférents entre eux que dépendent les
propriétés et les différences apparentes des corps. »
Lucrèce (1er siècle avant J.-C.), exposant la théorie de Démocrite dans un poème à Vénus (De Natura Rerum) : « (…)
Les corps premiers sont donc d’une simplicité impénétrables et forment un ensemble homogène et étroitement cohérent
de particules irréductibles. (…) Les corps, ce sont d’une part les principes simples des choses, les atomes, et d’autre
part les composés, formés par ces éléments premiers. Pour ceux-ci, il n’est aucune force qui puisse les détruire, à toute
atteinte leur solidité résiste… Au reste, si l’on n’admet pas dans la nature un dernier terme de petitesse, les corps les
plus petits seront composés d’une infinité de parties, puisque chaque moitié aura toujours une moitié et cela à l’infini.
Quelle différence y aurait-il alors entre l’univers même et le plus petit corps ? On n’en pourrait point établir ; car si
infiniment étendu qu’on suppose l’univers, les corps les plus petits seraient eux aussi composés d’une infinité de
parties. La droite raison se révolte contre cette conséquence et n’admet pas que l’esprit y adhère ; aussi faut-il t’avouer
vaincu et reconnaître qu’il existe des particules irréductibles à toute division et qui vont jusqu’au dernier degré de la
petitesse ; et puisqu’elles existent, tu dois reconnaître aussi qu’elles sont solides et éternelles. »
2) La matière est continue
Cette école postule l’inexistence du vide, et suppose la divisibilité infinie de la matière :
Parménide (env. 500 avant J.-C.) : « L’existant n’est pas divisible puisqu’il est absolument pareil, et qu’il n’y a pas plus
de lui dans un lieu que dans un autre, ce qui l’empêcherait de se maintenir ; ni moins non plus, car tout est plein de ce
qui est. Aussi est-il parfaitement continu. »
Cette école fait sienne la théorie des quatre éléments, dont on trouve les prémices chez Homère, 9 siècles avant J.-C.,
qui sera formulée par Empédocle, et diffusée par Aristote. Si ce grand philosophe n’avait pas vécu, la théorie des quatre
éléments n’aurait certainement pas été transmise de génération en génération jusqu’aux alchimistes du XVIIIème siècle.
(Notons qu’il n’y a pas grand-chose de commun entre l’idée d’élément chez Aristote et la notion moderne d’élément
chimique).
Oronce Fine : « La sphère du monde », 1532 Système de corrélation entre propriétés et éléments.
L’atome de nos jours (pour les chimistes)
Au degré de connaissances qui nous intéresse, les atomes sont constitués de trois types de particules : …………………
……………………………………………………………………………………………………… . Les ……………….
………………………………………………… se trouvent au centre de l’atome ; ils constituent ce qu’on appelle le
………………………… de l’atome. …………………………………………………… gravitent ……………………
de ce noyau, dans l’enceinte appelée « atmosphère électronique ».
Les particules qui constituent le noyau (……………………………………………………………………) sont
également appelées …………………………… .
Quelques chiffres
Numéro atomique
Qu’est-ce qui différencie un atome de lithium (par exemple) d’un atome de béryllium (par exemple) ?
Un élément chimique est un ensemble d’atomes possédant ................................……………………….. .
Ainsi, l’ensemble des atomes dont le noyau contient 3 protons forme l’élément ……………………….. .
L’ensemble des atomes dont le noyau contient 10 protons forme l’élément ……………………….. .
L’ensemble des atomes dont le noyau contient 20 protons forme l’élément ……………………….. .
Le nombre de protons est appelé ........................................................................................ .
Z est noté ………………………………… du symbole de l’élément.
Chaque élément chimique est représenté par un ……………………….............................................................. .
Exemple : He est le symbole de l’élément ……………………… . Pour plus de précision, on peut écrire : ………… .
De nos jours, on connaît environ ………… éléments chimiques (cf. table annexée).
Nombre de masse
Attention : tous les atomes d’un même élément n’ont pas forcément le même nombre de neutrons ! Ainsi, il existe
Le nombre qui suit le nom de l’élément indique le nombre de nucléons, c’est à dire le …………………………………
………………………………………………… . Ce nombre est appelé …………………………………………… .
A est noté …………………………………………… du symbole de l’élément.
Exemple :
Quelques définitions
Nuclide (ou nucléide)
On appelle nuclide (ou nucléide) un atome dont on connaît le ……………………………………. et le ……….………
……….……….………… .
Exemple : quelle est la composition du nucléide 133Cs ?
Isotopes
On appelle isotopes les atomes ayant le même nombre de …………………………. mais pas le même nombre de
…………..………. . Ainsi, comme leur nom l’indique (iso = même, topos = lieu), tous les isotopes d’un élément se
trouvent dans la même ………………. du tableau périodique. Les isotopes ont les mêmes propriétés
…………………… : ces propriétés dépendent uniquement du nombre de protons, et donc d’électrons de l’atome. Ainsi,
lors de la respiration, les cellules de notre corps utilisent indifféremment de l’oxygène 16, de l’oxygène 17, ou de
l’oxygène 18. Les isotopes ont par contre des propriétés …………………… légèrement différentes, car ces propriétés
dépendent entre autres de la masse de l’atome.
Masse atomique d’un élément
On appelle masse atomique d’un élément la masse …………………... d’un atome de cet élément. Elle est calculée en
tenant compte de la masse des différents isotopes de l’élément considéré et de leur abondance naturelle.
Exemple:
La masse atomique du chlore vaut en réalité …………………. . Elle est indiquée dans le tableau périodique.
Corps pur simple
Un corps pur simple est une espèce chimique constituée d’une seule sorte d’atome.
Exemples : …………………………………………………………………………………. .
Corps pur composé
Un corps pur composé est une espèce chimique constituée de plusieurs sortes d’atomes.
Exemples : …………………………………………………………………………………. .
A l’heure actuelle, nous connaissons environ 11 millions de corps composés dont environ 10 millions sont constitués
d’atomes ………………………… .
Les forces électrostatiques
Des forces s’exercent entre particules chargées électriquement. De telles forces sont appelées …………………………
…………… . Elles peuvent être des forces d’attraction ou de répulsion.
Des particules de même charge ………………………………… .
Des particules de charge différente ………………………………… .
Exemple : Deux électrons se repoussent, parce qu’il s’agit de particules de même charge
-e
-e
Les forces électrostatiques sont d’autant plus élevées que les ……………………… sont plus élevées, mais l’intensité
de telles forces diminue fortement quand la distance ………………………. entre les particules.
La loi de Coulomb
Toute matière contient des particules chargées électriquement. La charge d’un corps est égale à la somme des charges
qui le compose.
La plus petite charge que l’on connaisse (charge élémentaire notée e) a une valeur de ……………………………… .
La force F (force électrostatique) qui s’exerce entre deux particules chargées de charges respectivement Q1 et Q2 et
séparées par une distance r vaut :
Avec :
F = …………………..…………………….
r = …………………...…………………….
Q = ……………………….……………….
ε0 = ………………………..……………….
= ………………………..……………….
La force électrostatique est proportionnelle au produit des charges ponctuelles en présence (Q1 et Q2) et inversement
proportionnelle au carré de la distance (r2 ) qui sépare les charges.
Exercices :
a)
Dans le vide, une charge électrique ponctuelle de 10.0 μC est placée à une distance de 10.0 cm d’une charge de
-20.0 μC. Quelle est la valeur de cette force électrostatique en newtons ?
b) Comment varie la force électrostatique entre deux corps chargés lorsqu’on :
b1) double la valeur d’une des charges ?
b2) double la distance entre ces corps ?
b3) divise la distance entre ces corps par quatre ?
c)
Calculez la force électrostatique agissant entre le proton et l’électron de l’atome d’hydrogène, sachant que ceux-ci
sont distants de 53 pm.
d) Pourquoi les protons d’un atome ne se séparent-ils pas ?