HPT
Formation scientifique
UAA9
AUTEURS : Brigitte Janssens, Pascale Sartiaux
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
L’atome, constituant élémentaire de la matière
Introduction
Cette UAA9 entrouvre la porte du monde microscopique. Les élèves sont amenés à modéliser les
phénomènes chimiques qu’ils perçoivent sans pour autant appréhender l’écriture symbolique et
abstraite.
Dans cette partie du cours de formation scientifique, les élèves observent certains phénomènes et les
modélisent en utilisant le modèle de Dalton.
Partie I. Atomes et molécules
Corps purs et mélanges
Toute matière est formée d’espèces microscopiques (atomes, molécules, ions).
Un corps pur est une matière formée d’espèces identiques, un mélange est une matière formée de
deux ou plusieurs espèces distinctes.
Un corps pur simple est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées d’un seul type
d’atomes (par exemple, O2, H2, Cl2). Il existe des corps purs métalliques (symbolisés par M) et des
corps purs non métalliques (symbolisés par X).
Un corps pur composé est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées de deux ou
plusieurs types d’atomes (par exemple, H2O, H2SO4). Généralement, on classe les corps purs
composés en corps minéraux (eau, acides, bases ou hydroxydes, oxydes et sels) et en corps
organiques.
Document1
1
Un mélange est un ensemble formé de deux ou plusieurs corps purs, chacun des constituants
conservant ses propriétés de départ.
Scientifiquement, un mélange est dit homogène s’il possède les mêmes propriétés en tout point. A ce
niveau, on considèrera un mélange comme homogène si ses constituants ne sont pas visibles à l’œil
nu.
Scientifiquement, un mélange est dit hétérogène s’il ne possède pas les mêmes propriétés en tout
point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme hétérogène si ses constituants sont visibles à
l’œil nu.
Objets microscopiques
Une molécule est l’espèce chimique que l’on obtient à la limite de partage d’une substance. Une
molécule a des propriétés propres (par exemple liées à sa forme ou à sa composition) mais elle n’a,
en tous cas pas, les propriétés de la substance dont elle est une composante : si la substance est
colorée, inodore et conductrice de l’électricité, ce n’est pas le cas d’une molécule composant cette
substance.
Une molécule a généralement une dimension ultra petite, de l’ordre de 10-9 m.
Un atome est l’espèce chimique composant la molécule. Bien entendu, un atome est encore plus petit
qu’une molécule : sa dimension est de l’ordre de l’Å (angström), soit 10-10 m.
Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou des électron(s).
Dans le cas d’un gain d’électrons, l’ion est négatif, c’est un anion. Dans le cas d’une perte d’électrons,
l’ion est positif, c’est un cation.
Depuis très longtemps, l’être humain se pose la question: de quoi est constituée la matière ? Et
finalement, de quoi est constitué un atome ? Les scientifiques ont alors élaboré des modèles 1 de
l’atome qui ont beaucoup évolué en fonction du contexte historique et des développements
technologiques (voir annexe 1).
Ordre de grandeur d’un atome
Les dimensions d’un atome et d’une molécule sont tellement petites qu’il est difficile de se représenter
leur taille réelle. Pour appréhender ces dimensions, on place la taille de différents objets sur une
échelle de longueur, depuis le monde macroscopique jusqu’au monde nanoscopique (voir l’illustration
à la page suivante).
Comme on peut le voir, l’ordre de grandeur des molécules et des atomes se situe au niveau du
nanomètre.
A chaque ordre de grandeur, son instrument d’observation :
-
le télescope pour observer des objets stellaires ;
-
l’œil pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du mètre ;
-
le microscope optique pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du
micromètre (comme la cellule) ;
-
le microscope à effet tunnel pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du
nanomètre.
1
Un modèle est une représentation simplifiée d’un objet, d’un phénomène ou d’un processus. En fonction de l’objectif
poursuivi, le scientifique décide quelles caractéristiques il va négliger pour construire son modèle. Un modèle peut être
descriptif, explicatif ou prédictif.
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2
Very Large Telescope de
l’Observatoire européen austral
(désert d’Atacama au Chili)
L’œil humain
Microscope optique
Microscope à effet tunnel
Source de l’illustration : http://www.maxicours.com/se/fiche/3/8/370083.html/2e (page consultée le 02/11/2015)
Remarque concernant le microscope à effet tunnel
L'étude de l'échelle nanoscopique ne se fait pas avec n'importe quels types d'instrument. Cette
étude nécessite des aménagements particuliers, tels que ceux rencontrés dans les microscopes à
effet tunnel. C'est pour cela que seuls les ingénieurs peuvent manipuler les nanotechnologies 2 avec
des machines très sophistiquées pour améliorer les inventions. Le préfixe « nano » vient du grec
nanos qui signifie "nain" Il divise par 1 milliard l'unité dont il précède le nom (par exemple, une
nanoseconde est une durée 1 milliard de fois plus brève qu'une seconde, un nanomètre est 30 000
fois plus petit que le diamètre d'un cheveu).
2
Il s’agit des technologies qui permettent l’étude de phénomènes qui se déroulent au niveau du nanomètre.
Document1
3
Pour faire une comparaison de taille, il y a le même rapport de taille entre un atome et une orange
qu’entre cette même orange et la Terre.
Voici
ci-contre
une
image
du
microscope à effet tunnel, inventé en
1981 par des chercheurs d'IBM. Avec
lui, le « nano-monde » est à notre
portée. Grâce à cet instrument,
l'observation des atomes est possible.
On peut même obtenir des images à
l'échelle atomique. C’est un microscope
qui utilise un phénomène quantique:
l'effet
tunnel.
Son
principe
de
fonctionnement est simple: une pointe
métallique (nanopointe) survole la
surface du matériau à quelques
nanomètres de distance. .Ensuite, une
tension électrique est appliquée entre la
pointe et la surface. Par « l'effet
tunnel », des électrons peuvent alors franchir cette distance et produire un courant électrique. Après
avoir scanné la surface du matériau, un ordinateur ajuste en temps réel la hauteur de la pointe et
enregistre cette hauteur qui permet de reconstituer la surface avec une grande précision de l'ordre de
l'atome.
La photo ci-contre est un exemple d’image obtenue par microscopie à effet
tunnel. Elle montre une surface d’alliage Pd/Au dans laquelle on distingue
nettement les atomes de Pd qui apparaissent plus gros et plus foncés que
les atomes d’or.
Source de l’illustration : http://pmc.polytechnique.fr/groupes/electrochimie/techniques/stm.htm
(page consultée le 02/11/2015)
Caractéristiques de l’atome
Chaque atome est caractérisé par :
 un nombre atomique, noté Z, qui correspond au nombre de protons de son noyau et au nombre
d’électrons (c’est aussi le numéro d’ordre de l’atome dans le tableau périodique) ;
 une masse atomique relative, notée Ar, qui est le rapport entre la masse de cet atome et la
masse de l’atome d’hydrogène, choisie comme référence3. C’est le rapport de deux grandeurs
(deux masses) de même unité : c’est donc un nombre qui n’a pas d’unité.
Source de l’illustration : http://rihetperez.free.fr/dmenu3.html (page consultée le 02/11/2015)
Remarque : dans le cadre du cours de formation scientifique, on ne distingue pas les neutrons et les
protons ; le noyau, positif, est vu comme un ensemble de particules élémentaires.
3
A ce niveau, la masse atomique relative est arrondie à l’unité : on désigne alors cette grandeur comme étant le nombre de
masse A, qui est en fait la somme du nombre de protons et de neutrons du noyau.
Document1
4
Ecriture symbolique des atomes et des molécules
Ecriture symbolique des atomes
Les atomes sont désignés par une lettre majuscule (C pour le carbone, par exemple) ou par une lettre
majuscule suivie d’une minuscule (Ca, pour le calcium par exemple). Cette désignation porte le nom
de symbole chimique.
Ecriture symbolique des molécules
Les molécules, étant constituées d’atomes, sont désignées par la suite des symboles des atomes dont
elles sont constituées. Les atomes sont toujours placés dans l’ordre des électronégativités
croissantes. Cette désignation porte le nom de formule chimique : la formule chimique d’une
molécule fournit le nombre d’atomes de chaque espèce chimique qui la compose.
 Quand une molécule contient plusieurs atomes identiques, le nombre de ces atomes est désigné
par un indice : par exemple, la molécule de CaCl2 contient 1 atome de calcium et 2 atomes de
chlore.
 Quand une molécule contient plusieurs fois un groupement d’atomes identiques, ce groupement
est placé entre parenthèses auxquelles on ajoute un indice pour désigner le nombre de
groupements : par exemple, la molécule Ca3(PO4)2 contient 3 atomes de calcium et 2 groupements
PO4 (phosphate).
 Quand on souhaite mentionner plusieurs molécules, leur nombre est désigné par un coefficient,
placé devant le symbole de la molécule : par exemple 2 KOH désigne 2 molécules de KOH.
Les ions sont porteurs d’une charge électrique. Celle-ci est désignée par un exposant placé en haut à
droite du symbole de l’atome dont est issu l’ion : par exemple, l’ion Mg2+ est l’ion magnésium porteur
d’une double charge électrique positive 4.
Notion d’élément
Un élément est une collection d’entités qui ont toutes le même nombre de protons.
La notion d’élément renvoie au niveau macroscopique et au niveau microscopique :
4
-
C’est une substance chimique pure composée d’atomes ayant tous le même nombre de
protons dans le noyau atomique. Dans ce sens, l’élément est une entité macroscopique.
-
C’est une sorte d’atome : tous les atomes qui ont le même nombre de protons au sein du
noyau atomique sont le même élément. Dans ce sens, l’élément est une entité
microscopique : on parlera ainsi du tableau périodique des éléments.
A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple.
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5
Partie II. Corps métalliques et corps non métalliques
Tableau périodique des éléments chimiques
Dès le début du XIXe siècle, la nécessité de pouvoir classer les éléments chimiques apparait car ceuxci deviennent de plus en plus nombreux. La découverte de nouvelles substances et de nouveaux
éléments pousse les scientifiques à essayer de les regrouper.
Les chimistes arrivent à mettre en évidence que toutes les substances contiennent un nombre
restreint d'éléments chimiques, qui servent de briques de construction pour élaborer ces substances.
Julius Lothar Meyer (1830 – 1895) est l'un des premiers à proposer un système de classification en
1864. Il a classé les éléments en les regroupant selon le nombre maximum de liaison que chaque
élément peut réaliser.
Dimitri Mendeleïv (1834 – 1907) tenta de classer les éléments selon certaines de leurs propriétés. Il a
observé que les propriétés réapparaissaient de façon périodique lorsqu'il classait les éléments par
masse croissante. A chaque retour d'une propriété, Mendeleïev indiquait celui-ci dans une autre ligne
d'un tableau. Son génie fut de laisser des cases vides dans son tableau lorsqu'un élément ne
présentait pas les propriétés attendues. Il prédit ainsi l'existence d'autres éléments ayant des
propriétés semblables aux autres du même groupe5 avant qu’ils ne soient découverts.
En 1913, la classification des éléments évolua pour la dernière fois. On s'aperçut que si l'on tient
compte des propriétés chimiques des éléments naturels, les éléments ne doivent pas être classés
selon leurs masses atomiques mais selon leurs numéros atomiques (nombre de protons de l'élément).
C'est donc le nombre de protons qui détermine la nature de l'élément et une partie de ses propriétés.
Source de l’illustration : http://www.takween.com/molecules-organiques-minerales.html (page consultée le 02/11/2015)
Les corps métalliques et les corps non métalliques dans le tableau périodique
Les éléments contenus dans une colonne de la classification périodique ont des propriétés chimiques
semblables. Les éléments de chaque colonne forment un groupe.
5
La définition d’un groupe est donnée au paragraphe suivant.
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6
L’hydrogène H dont la structure est très simple (1 proton et 1 électron) se place à part. De même, on
distingue les gaz nobles qui forment la dix-huitième colonne. Les autres éléments se différencient en
métaux et non-métaux.
Les métaux sont des éléments qui engendrent facilement des cations.
Les non-métaux sont des éléments qui forment facilement des anions.
Les métaux
 Le groupe des métaux alcalins (colonne 1)
A l’exception de l’hydrogène, les éléments de la première colonne – lithium Li, sodium Na, potassium
K, rubidium Rb et cérium Ce (le francium Fr est un métal peu abondant et radioactif) – sont des corps
mous, légers et très facilement fusibles. Ils sont très réactifs chimiquement, ils sont oxydés par
l’oxygène de l’air pour engendrer des oxydes Li2O, Na2O, K2O, ….
Ils réagissent tous avec l’eau, à la température ordinaire, en formant du dihydrogène H 2 et une
solution à caractère basique. La réaction est lente avec le lithium, vive avec le potassium et surtout le
sodium, explosive dans le cas du rubidium et du césium.
 Le groupe des métaux alcalino-terreux (colonne 2)
Les alcalino-terreux sont le béryllium Be, le magnésium Mg, le calcium Ca, le strontium Sr et le
baryum Ba (le radium Ra est un élément peu abondant et radioactif). Très réactifs chimiquement, ils
ont des propriétés voisines de celles des alcalins. Ils s’oxydent facilement, donnant des oxydes MgO
(magnésie), CaO (chaux vive), BaO… Ils réagissent avec l’eau, moins vivement que les alcalins (le
calcium est celui qui réagit le plus vivement).
Propriétés des métaux
On peut voir un métal comme un arrangement de cations maintenus ensemble par une « mer »
d’électrons mobiles : ce sont des solides ioniques. Cela explique que les métaux conduisent
l’électricité parce que les électrons peuvent se déplacer sous l’action d’une différence de potentiel.
L’éclat caractéristique des métaux est dû également à la mobilité des électrons. Lorsqu’une onde
lumineuse frappe la surface d’un métal, elle déplace les électrons mobiles en avant et en arrière. Ces
électrons oscillants émettent de la lumière, que nous voyons comme un éclat et qui est
essentiellement une réémission de la lumière incidente. C’est pourquoi l’image dans un miroir – une
fine couche métallique sur du verre – est un portrait fidèle de l’objet reflété.
La mobilité des électrons explique aussi la malléabilité d’un métal, son aptitude à être mis en forme
par martelage, et sa ductilité, son aptitude à être étiré en fils. Comme les cations sont entourés par
une mer d’électrons, les liaisons sont très peu directionnelles. Il en résulte qu’un cation peut être
déplacé par rapport à ses voisins sans trop d’effort. Le choc d’un marteau peut déplacer de nombreux
cations. La mer d’électrons s’ajuste immédiatement pour faire en sorte que les atomes ne soient pas
expulsés mais restent liés dans leur nouvelle position. Les métaux sont plus malléables que les autres
solides : lorsque des groupes d’atomes sont déplacés, la mer d’électrons les suit.
Les non-métaux
Propriétés des non-métaux
Les non-métaux forment des oxydes acides.
Cette série comprend l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre et le
sélénium.
Alors que les métaux forment des solides ioniques, les non-métaux formant des solides covalents sont
des isolants parce que leurs électrons sont confinés dans les atomes et les molécules individuelles.
Les propriétés physiques des non-métaux les différencient nettement des métaux : une densité, des
températures de changement d'état, des conductivités électrique et thermique plus faibles que celles
des métaux. Ils se caractérisent aussi par une forte électronégativité, des oxydes acides et une
absence de malléabilité et de ductilité à l'état solide.
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Conclusion
Source de l’illustration : http://lachimie.net/fiches/lachimie.net.metauxetnonmetaux.pdf (page consultée le 02/11/2015)
Les propriétés physiques et chimiques particulières à chaque élément chimique constitutif d’un objet
ou d’une substance déterminent l’utilisation que l’on en fait.
Références
-
ATKINS, P.W., JONES, L., LAVERMAN, L., Principes de chimie, Ed. De Boeck Supérieur,
Bruxelles, 2011
-
TOMASINO, A., LORRIN, C., Chimie 2e, Ed. Nathan, France, 1993
-
CAPELLE, Ph., Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur – HGT Chimie – UAA1 et
UAA2, 2015, http://enseignement.catholique.be/fesec/secteurs/sciences/ (page consultée le 27
octobre 2015)
-
ACADÉMIE
DE
BESANÇON,
Histoire
du
modèle
atomique,
http://artic.acbesancon.fr/sciences_physiques/physique_chimie/college/b2i/histoire_atome/dossier_eleve/Texte_
historique.htm (page consultée le 12 novembre 2014)
-
FEDICHEM, Tableau périodique des éléments et quelques-unes de leurs applications pratiques,
http://lejphysiquechimie.e-monsite.com/medias/files/tableau-periodique-fedichem.pdf
(page
consultée le 2 novembre 2015)
-
FORTIN, R., Les échantillons biologiques sont de taille variée,
http://slideplayer.fr/slide/514363/ (page consultée le 27 octobre 2015)
-
LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE LA MATIÈRE CONDENSÉE, Microscopie à effet tunnel,
http://pmc.polytechnique.fr/groupes/electrochimie/techniques/stm.htm (page consultée le 27
octobre 2015)
-
MISEUR, L., Métaux et non métaux, http://www.lachimie.net/index.php?page=11#.VfFipzYViUk
(page consultée le 02/11/2015)
-
TURPIN, Cl., MERRE, A., PELLEN, A., TPE, la nanotechnologie – L’avenir de la nanotechnologie,
http://tpe-1ere-la-nanotechnologie.e-monsite.com/pages/i-qu-est-ce-que-la-nanotechnologie1.html, (page consultée le 27 octobre 2015)
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SlidePlayer,
2009,
8
Annexe 1. Les modèles de l’atome
Au VIe siècle avant J.-C., des philosophes grecs (Thalès et Empédocle) proposent un premier modèle
pour la constitution de la matière sur base d’une observation simple : quand un morceau de bois
brûle, il y a production de fumée, de vapeur d'eau et de cendre. C’est donc que le morceau de bois
contient tous ces éléments. Pour eux, donc, toute matière est constituée de quatre éléments: la terre
(ici, les cendres), l'eau, le feu et l'air (ici, la fumée).
Un peu plus tard, au Ve siècle avant notre ère, Démocrite, un savant philosophe
grec, propose un modèle original : pour lui, la matière est constituée de particules
infiniment petites et indivisibles qu’il appelle « atomos », entre lesquelles existe un
espace vide. En grec ancien le mot « atomos » signifie indivisible. Il est assez
remarquable que ce modèle qui date de plus de 2500 ans conserve encore des
traces aujourd’hui.
Le modèle de Démocrite correspond à une matière discontinue, faite d’entités
indépendantes.
Cependant, le modèle qui eut le plus de succès dans l’Antiquité (et jusqu’au XVIII e siècle, pendant
plus de 2000 ans donc) est le modèle d’Aristote, qui a vécu au IVe siècle avant J.-C.
Pour Aristote, la matière ne peut être que continue. Toute matière est
formée d’une proportion déterminée des 4 éléments de Thalès et ce sont les
changements dans ces proportions qui engendrent les différentes matières
que nous voyons.
Le Moyen Age voit se développer l’alchimie, axée principalement sur la découverte d'une substance
(la pierre philosophale) qui transformerait les métaux les plus communs en or ou en argent, et sur la
découverte de moyens permettant de prolonger la vie des hommes.
Dès le IVe siècle après J.-C., les alchimistes arabes travaillent avec l'or et le mercure, l'arsenic et
le soufre, les sels et les acides. Ils se familiarisent avec une large gamme de ce que l'on appelle
maintenant les réactifs chimiques. Ils pensent que les métaux sont des corps composés, constitués de
mercure et de soufre en différentes proportions. Ils pensent que la transmutation (le fait de pouvoir
transformer en or d’autres métaux comme l’argent) est possible ; leurs méthodes ressemblent à des
tâtonnements à l'aveuglette. Cependant, ils trouvent de cette façon de nombreuses substances
nouvelles et inventent de nombreux procédés utiles. Ils sont, sous bien des aspects, les précurseurs
de la science moderne, en particulier de la chimie.
En provenance du monde musulman, l'alchimie se propage à travers l'Espagne et l'Europe. Les
premiers travaux authentiques de l'alchimie européenne sont ceux du moine anglais Roger Bacon et
du philosophe allemand Albert le Grand. Tous deux croient en la possibilité de transmuter les métaux
en or. Cette idée excite l'imagination - et plus tard l'avarice - d'un grand nombre de personnes au
Moyen Âge. Ces dernières croient que l'or est le métal parfait et que les autres métaux sont
imparfaits. Ils cherchent également à fabriquer ou à découvrir une substance, appelée la pierre
philosophale, beaucoup plus parfaite que l'or, qui peut être utilisée pour amener les métaux de base
jusqu'à la perfection de l'or et qui peut également leur assurer le non vieillissement !
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Vers le XVe siècle, des savants commencent à progresser dans la connaissance de la matière et à
remettre en doute les concepts aristotéliciens du monde et de la matière, par la mise en œuvre de
premières démarches expérimentales. Citons ci-dessous quelques exemples de ces scientifiques
préoccupés par la composition de la matière.
Robert Boyle (chimiste anglais du XVIIe siècle) propose que
la matière soit faite de quelques substances simples
appelées éléments.
Dans les années 1780, Antoine-Laurent
Lavoisier réussit à décomposer l'oxyde de
mercure et énonce la loi de la conservation de
la masse.
Louis Joseph Proust, (1754-1826), chimiste français, montre la
constance de la composition de l'eau, quelle que fût sa
provenance. Il est amené à énoncer la loi des proportions définies,
parfois appelée loi de Proust. Cette loi stipule que les éléments
d'un composé sont tous présents dans des proportions massiques
fixées, indépendamment de la manière dont le composé a été
préparé. Pour Proust la matière est constituée d'éléments simples
qui pouvaient se combiner en éléments composés. Sa loi est
cependant mal acceptée, jusqu'à ce que Jöns Jacob Berzelius, un
chimiste suédois, lui apporte son soutien, en 1811. Proust réussit
également à isoler un sucre du raisin, qui était en fait du glucose.
Avec ces scientifiques commence un nouvel âge pour la science, plus axée sur la recherche et
l'expérimentation ET sur une confrontation des modèles avec la réalité.
John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien britannique,
développe la théorie atomique sur laquelle est fondée la science
physique moderne.
Dalton naît le 6 septembre 1766 à Eaglesfield, dans le Cumberland (aujourd'hui Cumbria, au NordOuest de l’Angleterre). Son père est tisserand. Il est d'abord instruit par son père puis à l'école de sa
ville natale, où il commence à enseigner à l'âge de douze ans ! En 1781, il se rend à Kendal (ville de
la Cumbria), où il dirige une école avec son cousin et son frère aîné. Il s'installe à Manchester en 1793
et y passe le reste de sa vie comme professeur, d'abord au nouveau collège puis plus tard comme
précepteur.
Dalton commence en 1787 une série d'observations météorologiques qu'il poursuit pendant
cinquante-sept ans, accumulant quelque deux cent mille observations et mesures du temps dans la
région de Manchester. L'intérêt de Dalton pour la météorologie le conduit à étudier différents
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10
phénomènes ainsi que les instruments utilisés pour les mesurer. Il est le premier à prouver la validité
de l'idée selon laquelle la pluie est provoquée par une baisse de température, non par un changement
de la pression atmosphérique.
Le premier travail de Dalton, « Observations et essais météorologiques », en 1793, ne suscite que
peu d'intérêt. L'année suivante, il présente un article sur la maladie appelée aujourd’hui daltonisme,
maladie dont Dalton souffre lui-même, devant la société philosophique et littéraire de Manchester. Cet
article est la toute première description de ce phénomène.
La plus importante contribution de Dalton à la science est sa théorie selon laquelle la matière est
composée d'atomes indivisibles de différentes masses et que ces atomes se combinent en respectant
des proportions massiques simples. Cette théorie, que Dalton propose pour la première fois en 1803,
est la pierre d'angle de la science physique moderne. En 1808, est publiée l'œuvre de Dalton intitulée
« Un nouveau système de philosophie chimique ». Dans ce livre, il dresse la liste des masses
atomiques d'un certain nombre d'éléments connus par rapport à la masse de l'hydrogène. Ses
masses ne sont pas entièrement correctes mais elles forment la base de la table périodique moderne
des éléments. Dalton arrive à sa théorie atomique par une étude des propriétés physiques de l'air
atmosphérique et des autres gaz.
En 1804 et en 1809, Dalton est invité à enseigner à Londres. Il devient membre de la Royal Society
en 1822. Il est récompensé par la médaille d'or de la société en 1826. En 1830, Dalton devient l'un
des huit associés étrangers de l'Académie française des sciences. Il meurt à Manchester le 27 juillet
1844.
Voici les axiomes importants de la théorie de Dalton.

La matière est composée de particules invisibles, indivisibles, massiques appelées atomes.

Les atomes d'un élément donné sont identiques.

Les atomes d'éléments simples se combinent dans des proportions bien définies pour former des
atomes composés (les composés).
Mickaël Faraday (1791-1867), chimiste et physicien
britannique né à Newington (quartier de Londres). Il fait
d'importants travaux dans le domaine de l'électricité et du
magnétisme. En 1832, il réalise une électrolyse. Il fait passer
un courant électrique dans une cuve remplie d'eau, et constate
que du dihydrogène se dégage à l'électrode négative, et du
dioxygène à l'électrode positive. En mesurant la quantité de
gaz produits, il se rend compte qu'elle dépend directement de
la quantité d'électricité qui a circulé dans la cuve; le courant
électrique coupe apparemment l'eau en ses 2 éléments
chimiques de base (cela s'appelle une électrolyse). Faraday ne
voit qu'une explication au phénomène: l'électricité doit être,
d'une manière ou d'une autre, la force qui lie les atomes entre
eux.
Sir William Crookes (1832-1919), chimiste et physicien
britannique né à Londres. Il invente le tube électronique à
cathode
froide appelé
aujourd'hui
tube
de
Crookes.
Ses recherches les plus importantes portent sur la conductivité
électrique des gaz. Il est le premier à produire des rayons
cathodiques.
Il
invente
également
le radiomètre et le
spinthariscope, un détecteur de particules. Il mène des
recherches dans de nombreux domaines et il découvre
le thallium.
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Le tube
de
Crooke
s
Sir Joseph John Thomson (1856-1940), physicien de nationalité anglaise,
lauréat du prix Nobel. Thomson reçoit en 1906 le prix Nobel de physique
pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz.
Grâce à la découverte de Crookes, Thomson est à l'origine de la
découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules
(électrons) créés par des rayons cathodiques. Théoricien et
expérimentateur, Thomson avance en 1898 la théorie du «pain aux raisins»
sur la structure atomique, dans laquelle les électrons sont considérés
comme des «raisins» négatifs enfoncés dans un «pain» de matière positive.
On appelle souvent le modèle de Thomson, modèle du pain aux raisins (ou
encore modèle du plum pudding, dessert traditionnel servi à Noël en
Angleterre).
Henri Becquerel (1852-1908), physicien français lauréat du prix Nobel. Il
découvre
la
radioactivité de
l'uranium.
En 1896, il découvre accidentellement le phénomène de la radioactivité
au cours de ses recherches sur la fluorescence. Après avoir placé des
sels d'uranium sur une plaque photographique dans un lieu sombre,
Becquerel s'aperçoit que la plaque avait noirci. Ce fait prouvait que
l'uranium dégage de l'énergie, phénomène connu par la suite sous le
nom de radioactivité. En 1903, Becquerel partage le prix Nobel de
physique avec les physiciens français Pierre et Marie Curie pour leur
travail sur la radioactivité.
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Marie Curie (1867-1934), physicienne française d'origine polonaise, à l'origine
de la découverte des éléments chimiques radium et polonium, prix Nobel en
1903. Elle obtient également le prix Nobel de chimie en 1911. L'étude des
éléments radioactifs par le couple Curie contribue à la compréhension des
processus atomiques, fondement de la physique nucléaire moderne.
Lord Ernest Rutherford (1871-1937), physicien britannique, lauréat du prix
Nobel pour ses travaux en physique nucléaire et pour sa théorie relative à
la structure de l'atome.
Rutherford naît en août 1871 à Nelson, en Nouvelle-Zélande, et fait ses études à l'université de
Nouvelle-Zélande, puis à celle de Cambridge. Il enseigne la physique à l'université McGill de
Montréal, au Québec, de 1898 à 1907. C'est en 1908 qu'il reçoit le prix Nobel de chimie pour ses
découvertes sur la structure de l'atome.
Rutherford est l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans
le domaine de la physique nucléaire. Peu de temps après la découverte
de la radioactivité, en 1896, par le physicien français Henri Becquerel,
Rutherford identifie les trois composants principaux du rayonnement,
qu'il baptise respectivement rayonnements alpha, bêta et gamma. Il
montre également que les particules alpha sont en fait des noyaux
d'hélium. Son étude du rayonnement le conduit à élaborer une théorie de
la structure atomique. Il est ainsi le premier à décrire l'atome comme un
noyau dense autour duquel gravitent des électrons.
En 1919, Rutherford fait une expérience importante en physique nucléaire : en bombardant de
l'azote gazeux avec des rayons alpha du radium, il obtient la formation de noyaux d’atomes
d’hydrogène (les protons) et d'atomes d'un isotope de l'oxygène. Cette transformation de l'azote en
oxygène est la première transmutation artificielle. Ce résultat suscite le démarrage de recherches
intensives sur d'autres transformations nucléaires et sur la nature et les propriétés du rayonnement.
Rutherford et le physicien anglais Frederick Soddy proposent une explication de la radioactivité
toujours en vigueur aujourd'hui.
Sur base de cette histoire du modèle de l’atome, comment décrire les différents modèles de
l’atome ?
Le modèle atomique de Dalton (1803) : les atomes sont des particules invisibles, indivisibles et
massiques qui composent la matière.
Le modèle atomique de Thomson (1898) : chaque atome est comparable à un «pain» de matière
positive dans laquelle les électrons sont enfoncés comme des «raisins» négatifs (c’est le modèle du
pain aux raisins ou encore le modèle du plum pudding). L’atome est neutre : la charge positive du
« pain » compense la charge négative des « raisins ».
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Le modèle atomique de Rutherford (1911) : l'atome est un noyau dense chargé positivement autour
duquel gravitent « dans le vide » des particules négatives, les électrons, comme des planètes autour
du Soleil (c’est le modèle planétaire de l’atome). L’atome est neutre.
Plus tard (en 1919), Rutherford découvre que le noyau contient lui aussi des particules, les protons,
chargées positivement. L’électron est considéré comme la particule atomique de charge électrique
unitaire négative et le proton comme la particule atomique de charge électrique unitaire positive.
L’atome étant neutre, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons en orbite autour du
noyau. Le nombre de protons est caractéristique de l’élément.
Annexe 2. Le tableau périodique des éléments
http://lejphysiquechimie.e-monsite.com/medias/files/tableau-periodique-fedichem.pdf (page consultée
le 2 novembre 2015)
A cette adresse, vous trouverez un tableau périodique qui renseigne les principales applications des
éléments chimiques.
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