Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Introduction : L’électrolyse de l’eau. L’électrolyse de l’eau est sa décomposition chimique par le passage du courant électrique. Le voltamètre est l’appareil qui va nous permettre de réaliser cette expérience. Emplissons le voltamètre d’eau pure et provoquons le passage d’un courant électrique. Observations : À l’électrode positive ou anode: dégagement d’un gaz incolore. Identification de ce gaz : quand on approche un tison incandescent de ce gaz, le feu s’active. On dit que ce gaz entretient la combustion. Ce gaz est……………………… À l’électrode négative ou cathode: dégagement d’un gaz incolore. Identification de ce gaz : quand on approche une mèche allumée de ce gaz récolté dans une éprouvette, il s’enflamme, explose en émettant un bruit caractéristique : il aboie. On dit que ce gaz est combustible. Ce gaz est …………………… Que peut-on dire du volume des gaz dégagé ?e volume de l’hydrogène dégagé est 2 fois plus grand que le volume d’oxygène é. Conclusion. Les molécules d’eau se sont donc cassées : elles sont formées de particules plus petites appelées atomes. peut conclure qu’on a obtenu deux fois plus de molécules Définitions : Une molécule est un ensemble d’atomes liés. Un atome est la plus petite partie d’un corps susceptible d’intervenir dans une réaction chimique. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 1 1) Les symboles atomiques. Par convention, un atome est représenté par un symbole. − Il s’agit généralement de la première lettre du nom de l’atome (caractère imprimé, majuscule) : H : hydrogène, C : carbone, O : oxygène, S : soufre. − Parfois, pour différencier deux atomes commençant par la même lettre, il faut ajouter à celle-ci la deuxième ou une autre lettre du nom de l’atome (caractère imprimé, minuscule) : Ar : argon, Ag : argent, Al : aluminium, Ca : calcium, Cl : chlore, Cu : cuivre. − Enfin, quelques symboles proviennent de noms anciens ou étrangers : K : potassium (kalium), Na : sodium (natrium). Voici une liste de symboles et les noms correspondants : A ETUDIER !!! Dans les 2 sens ! Al : aluminium As : arsenic B : bore Sb : antimoine N : azote Br : brome Ag : argent Ba : baryum Ca : calcium Ar : argon Be : béryllium C : carbone Cl : chlore Kr : krypton Pt : platine Cr : chrome Li : lithium Pb : plomb Co : cobalt Mg : magnésium K : potassium Cu : cuivre Mn : manganèse Ra : radium Sn : étain Hg : mercure Si : silicium Fe : fer Ne : néon Na : sodium F : fluor Ni : nickel S : soufre He : hélium Au : or W : tungstène H : hydrogène O : oxygène U : uranium I : iode P : phosphore Zn : Zinc Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 2 Ces symboles sont-ils correctement notés ? Explique si ce n'est pas le cas et corrige : AG: Sn : Cui : ca : Mag : Cr : Synthèse : Méthode de Berzelius : Exercices : 1. Parmi les symboles suivants, quels sont ceux qui sont certainement faux, selon les règles de Berzelius ? Justifie ta réponse. na, Au, aG, MN, Lit, OTAN, C.Q.F.D., K 2. Sur le tableau périodique des éléments, repère les symboles de : - Magnésium : ……………… - Calcium : …………………. - Mercure : …………………. - Potassium : ……………….. - Phosphore : ………………. - Oxygène : ………………… - Fer : ………………………. - Chlore : …………………... - Azote : …………………… - Soufre : ………………….. - Sodium : …………………. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 3 3. Complète ce texte à trous en utilisant le nom des symboles indiqués entre parenthèses : C’était un jour de janvier 1814, le …………………………… (Hg) était descendu de 15° sous zéro. Le ciel avait pris une couleur d’…………………………… (Sn). J’ai rencontré Dalton, dans un pub de Londres, il était assis au bar, un verre posé sur le …………………………… Zn). Je l’ai rassuré, ma démarche n’était pas motivée par l’…………………………… (Ag). Je lui dis : « pour avoir un travail …………………………… (Ni), il faut abandonner tes idéogrammes peu commodes ». « ……………………………» (N), me répondit-il, « toi aussi, Jacob, tu me dis cela et j’en …………………………… (S) ». « Je sais John, tout ce travail, il fallait le …………………………… (Fe), et ce n’est pas le …………………………… (P) qui te manque dans la tête. J’ai beaucoup hésité avant de venir te trouver puis je me suis dit, les copains d’a…………………………… (B), je dois lui mettre un peu de …………………………… (Pb) dans la cervelle, notre avenir est en jeu ! » John en resta baba …………………………… (Au), il me sorit et me tendit la main avant de …………………………… (Cl) le débat. 2) Le tableau de Mendeléev Tous les symboles sont repris dans un tableau appelé « Tableau périodique des éléments » ou « Tableau de Mendeléev » (tableau à la page 21). En 1869, le chimiste russe Dimitri Ivanovitch Mendeléev (1834-1907) classe les éléments connus à son époque par ordre croissant en suivant les masses atomiques. Il place dans une même colonne les éléments ayant des propriétés chimiques et physiques semblables. Ainsi, il établit la structure du tableau périodique utilisé aujourd’hui : 1er période 2ème période 3ème période 4ème période 1er famille Ia 2ème famille IIa H Li Na K Be Mg Ca … … … Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique 7ème famille VIIa F Cl Br 8ème famille Gaz rares He Ne Ar Kr Page 4 3) Bref historique du modèle atomique Né en Grèce vers 460 av. J.-C., Démocrite rejette les idées de la majeure partie de ses contemporains qui estiment que tous les phénomènes de la nature sont produits par les dieux, les démons et les esprits. Sa conception de l’Univers se fonde sur l’existence du Plein (constitué par les plus petites particules qui forment la matière : les atomes) et du Vide (considéré comme l’espace dans lequel se déplacent les atomes). Selon lui, la terre, la pierre et les métaux sont constitués de particules rugueuses formant une matière dure tandis que l’eau, au contraire, est constituée de particules rondes et lisses, ce qui explique sa fluidité. Ces particules ne peuvent être ni détruites (d’où leur nom d’atomes) ni créées. Elles peuvent seulement s’assembler, se dissocier et être réunies à nouveau dans d’autres combinaisons. Né en 1743, Antoine-Laurent de Lavoisier imposa une nouvelle terminologie pour la chimie. C’est lui qui inventa les mots oxygène et hydrogène pour désigner les composants de l’eau. a) Modèle de Dalton Né en Angleterre en 1766, Dalton publie entre 1808 et 1827 sa théorie sur les atomes « a New System of Chemical Philosophy ». Sa théorie se fonde sur trois hypothèses : • tous les corps sont constitués de particules minuscules, indivisibles et indestructibles, qu’on appelle atomes ; • les atomes d’un élément déterminé sont identiques, également en masse, mais ils diffèrent des atomes des autres éléments ; • lorsque différents atomes s’associent pour former des corps composés, les atomes s’assemblent toujours selon une proportion numérique simple comme 1 sur 1, 2 sur 1, 3 sur 4… Une des grandes caractéristiques de sa théorie est que les atomes des différents éléments ont une masse différente (qu’il tente d’ailleurs de déterminer). C’est la première théorie quantitative ! Dalton se représente l’atome comme : Une sphère indivisible et indestructible Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 5 b) Modèle de Thomson Lors d’un violent orage, des éclairs (la foudre) peuvent traverser le ciel. Pendant longtemps, les scientifiques ont cherché une explication à ce phénomène de production d’éclairs. Le début de l’explication remonte à l’Antiquité. En effet, il y a 2 600 ans, Thalès avait déjà observé que s’il frottait un bâton d’ambre (résine fossilisée) avec un chiffon, l’ambre devenait capable d’attirer de légers corps (cheveux, plumes, …) ? Puis, Pline, vers l’an 70, s’intéressa également aux phénomènes d’attraction des corps frottés. Cependant, ni Pline ni Thalès ne purent exploiter et expliquer leurs découvertes. C’est en 1650 que l’Allemand von Guericke (le scientifique qui a réalisé l’expérience des hémisphères de Magdebourg permettant d’observer la force de pression de l’air) observa un phénomène étrange. Lorsqu’il était en train de polir énergiquement une boule de soufre, il vit jaillir une étincelle lumineuse entre le soufre et l’un de ses doigts, en éprouvant une légère secousse. Dès lors, il imagina une machine avec laquelle il pouvait faire tourner rapidement, grâce à une manivelle, la boule de soufre qu’il freinait avec le doigt. Il a donc obtenu de plus fortes étincelles et de plus fortes secousses. Malgré tout, von Guericke et les autres savants de son époque ne purent expliquer ce nouveau phénomène. La production de décharges électriques fut à la base de la remise en question du modèle atomique de Dalton (sphères indivisibles et indestructibles) qui ne pouvait pas expliquer l’émission de décharges. C’est à la fin du XIXème siècle que les savants imaginèrent que les étincelles étaient dues à de minuscules particules s’échappant de la matière. G.J. Stoney1 les nomma « électrons » (faisant référence au frottement de l’ambre, « electron » en grec). En 1897, J.J. Thomson2 et J. Perrin3 découvrirent que l’atome que l’on pensait insécable (d’où le nom d’atomes), libérait des particules chargées négativement, appelées électrons grâce à leurs travaux sur les rayons cathodiques. 1 Physicien irlandais (1826 -1911) Physicien anglais (1856 – 1940) – Prix Nobel en 1906 3 Physicien français (1870 – 1942) – Prix Nobel en 1926 2 Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 6 Comme l’atome est électriquement neutre, Thomson formula l’hypothèse que ce dernier devait contenir une charge positive qui équilibre la charge négative des électrons. Les expériences de Thomson et Perrin aboutirent à la mise en évidence de ces particules chargées positivement, que l’on nomme « protons ». Dans le modèle de Thomson, cette charge positive, supposée répartie sur une petite région (ayant peut-être la forme d’une sphère), est parsemée d’électrons (de faible étendue spatiale). Les électrons du modèle de Thomson sont en quelque sorte en suspension dans le matériau chargé positivement, « comme des raisins dans un cake ». Dès lors, l’électron fut considéré comme la particule atomique de charge unitaire négative (e-) et le proton comme la particule unitaire positive (p+). Limite du modèle de Thomson : il existe du vide dans l’atome ; le modèle atomique de Thomson n’est plus valable. Thomson se représente l’atome comme : Une sphère constituée du même nombre de protons (p+) que d’électrons (e-) rendant compte du fait que l’atome est électriquement neutre. c) Le modèle de Rutherford Au début du XXe siècle, Rutherford se propose de vérifier le modèle de l’atome de l’époque en exploitant une nouvelle découverte : la radioactivité. Il bombarde une mince feuille métallique avec des particules a et constate que la plupart des particules (98 %) traversent la feuille sans déviation. Il en conclut que l’atome n’est pas une sphère pleine mais contient une grande proportion de vide. Rutherford imagine alors que l’atome est constitué d’un noyau chargé positivement (protons = p+) autour duquel gravitent les électrons qui sont porteurs d’une charge électrique négative. Un atome est donc électriquement neutre. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 7 Limite du modèle de Thomson : il existe du vide dans l’atome ; le modèle atomique de Thomson n’est plus valable. Rutherford se représente l’atome comme : Une sphère constituée d’un très grand volume au centre duquel se trouve un noyau constitué de protons positifs. Autour de ce noyau atomique se déplacent les électrons négatifs de masse infime, d) Le modèle de Bohr. Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome: Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées"; seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron. Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber) de la lumière. Bohr s’est donc imaginé que les électrons se situent sur des ………………………………… distinctes, appelées K, L, M, N, … correspondant à différents niveaux d’énergie. Les orbites (= couches électroniques) des atomes ne sont pas quelconques mais « quantifiées » (c'est-à-dire que tous les électrons se trouvant sur une même orbite possède la même énergie et que cette quantité d'énergie ne peut pas prendre n'importe quelle valeur. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 8 Ainsi : ▪ la couche K est une région autour du noyau atomique où se situent les électrons de niveau d’énergie n=1 ; ▪ la couche L est une région autour du noyau atomique où se situent les électrons de niveau d’énergie n=2 ; ▪ et ainsi de suite comme le montre le schéma ci-dessous. En résumé … → Les électrons sont répartis sur des couches électroniques (orbites) autour du noyau ; → Les électrons qui appartiennent à une même couche ont une énergie identique constante. → Les électrons, lorsqu’ils sont excités, peuvent passer d’une couche stable à une couche d’énergie plus élevée mais ils reviennent toujours à leur état d’énergie le plus stable (état fondamental). Grâce au schéma de la page précédente, tu peux conclure qu’il existe ………… couches électroniques autour du noyau atomique. Chaque couche correspond à ………………………. Ces couches sont désignées par une lettre qui peuvent contenir un nombre limité d’électrons : Couches K L M N Nombre maximal d'électrons Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique O P Q 32 !! 18 !! 8!! Page 9 Bohr se représente l’atome comme : Une sphère constituée d’un très grand volume au centre duquel se trouve un noyau constitué de protons positifs. Des électrons gravitent sur des couches autour de ce noyau atomique, en même nombre que les protons. e) Le modèle Rutherford – Chadwick : 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 James Chadwick . Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 10 4) Synthèse sur la composition de l’atome Tout atome, électriquement neutre, est composé : →d’un noyau qui comprend - un ou plusieurs protons - 0, 1 ou plusieurs neutrons →des électrons noyau atomique → Ce sont des nucléons qui gravitent sur des c ouches et sont en nombre égal à celui des protons autour du . Dans le tableau de Mendeleïev (ou tableau périodique) : a) Le nombre atomique (Z) - indique l’ordre de classement de l’atome dans le tableau - détermine le nombre d’électrons de l’atome dont le symbole est noté dans la case. - détermine aussi le nombre de protons de ce même atome vu que la charge de celui-ci doit être électriquement neutre. Exemple : L’atome de fluor possède 9 électrons dont la charge totale est 9 – et son noyau est porteur d’une charge électrique 9+. b) La masse atomique relative (Ar) Depuis le début du XIXe siècle, la mesure d’une grandeur physique se fait toujours par comparaison à un étalon de mesure. Cependant, quand les scientifiques veulent mesurer la masse des atomes, ils se heurtent à un obstacle majeur : non seulement aucune balance n’a la précision voulue pour mesurer la masse infime d’un atome, mais sa taille elle-même ne permet pas de l’isoler.Ils choisirent de mesurer la masse d’un grand nombre connu d’atomes plutôt que la masse d’un seul. À défaut de pouvoir déterminer la masse réelle, les chimistes firent appel à des valeurs relatives, par comparaison entre la masse d’un atome et la masse d’un atome étalon. Quel est cet étalon ? Justifie On a choisi l’atome H comme étalon car il est le corps le plus léger……………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………….. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 11 La masse atomique relative (Ar) d’un atome est le rapport entre la masse …………………………………………………………. ;;;;;;;;;…………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………….. - Elle représente également ……………………………………………… (protons + neutrons) - Pour l’utiliser, il est nécessaire de ……………………………… à l’unité la plus proche. Nous pouvons donc déterminer le nombre de nucléons, de protons, d’électrons et de neutrons d’un atome donné : - Nombre de protons : Z Nombre d’électrons : Z Nombre de nucléons (protons + neutrons): Ar (masse atomique relative) Nombre de neutrons : Ar – Z 5) Exercices a) Grâce au tableau de Mendeleïev (ou tableau périodique), complète ce tableau : Symbole Nom de Nombre Masse Nombre Nombre de Nombre de l’atome atomique atomique d’électrons protons de (Z) relative l’atome neutrons (Ar) Li Lithium 3- 3+ N Azote 7- 7+ Ca Calcium 20- 20+ Au Or 79- 79+ Hg Mercure 80- 80+ H Hydrogène 1- 1+ Mg Magnésium 12 12 Cl Chlore 17 17 Pb Plomb 82 82 Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 12 b) Dessine l'atome de magnésium d'après le modèle de : Rhuterford Bohr c) D'après le modèle de Thomson, représente l'atome de calcium : d) Quelle est la différence entre le modèle de Dalton et de Thomson ? Dalton : Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Thomson : Page 13 e) Complète le tableau suivant : Nom Symbole Nombre Masse Nombre Nombre Nombre de atomique atomique de d'électrons neutrons (Z) relative protons (Ar) Na Baryum Ca 20 15 17 Mg Aluminium f) Quel modèle fut proposé : Pour expliquer la neutralité électrique d’un atome ? ………………………………………... Pour expliquer qu’il est facilement traversé par des particules alpha ? …………………….. Pour expliquer que parfois les particules alpha ricochent sur un obstacle ? ………………... g) Donne le nom de l’atome et le numéro atomique Z correspondant aux symboles Ca, F, Br, Mg, W. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 14 h) Recherche dans le tableau de Mendéléev, le symbole et le nom de l’atome qui a le numéro atomique (Z) égal à 8, 47, 58. i) Cherche le nombre de protons et d’électrons dans les atomes de phosphore, de sodium, de radium. j) Cherche le nom des atomes qui ont 8p+, 2p+, 20p+. k) Donne le symbole et le nom des atomes classés respectivement 10ème, 20ème, 30ème, 50ème dans le tableau de Mendéléev. l) Recherche, dans le tableau de Mendéléev, le symbole et le nom de l’atome dont la masse atomique arrondie (Ar) est 7, 11, 40. m) Combien de protons, d’électrons et de neutrons y a-t-il dans les atomes Na (Ar = 23) ; Cl (Ar = 35) ; Au (Ar = 197) ? Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 15 n) Trouve le symbole et le nom de l’atome qui possède : 9 électrons et 10 neutrons : ……………………. 24 protons et 28 neutrons : ……………………. o) Ci-dessous, représente les modèles des atomes : H, He, Li et Be à l'aide du tableau suivant p) Complète également ce tableau : Symbole de Nombre de Nombre de Nombre de Nombre l’atome proton(s) neutron(s) nucléon(s) d’électron(s) H 1 0 He 2 2 Li 3 4 Be 4 5 Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 16 q) Complète le texte suivant : Tous les atomes sont constitués d’un ……………… chargé …………………… et d’…………… chargés …………………………, en mouvement autour de lui. Les atomes ont une charge électrique globale ………………, ce qui signifie qu’il y a autant de ………… que d’ ………… dans un atome. Le noyau d’un atome est constitué de …………… qui ont une charge ……………… tandis que les ……………… ont une charge ………………… . Les électrons sont situés sur des ……………… électroniques qui peuvent compter un nombre maximal d’électrons égal à ……………, n étant le niveau d’énergie de la …………… . r) Donne le nom des atomes possédant la répartition électronique suivante : − 2 ; 8 ; 8 ➔………………………………….. − 2 ; 8 ; 8 ; 2 ➔……………………………..... − 2 ; 8 ; 18 : 5 ➔……………………………... s) Donne la répartition, par couche des électrons dans les atomes O, Ca, Na et Cl. Détermine également le nombre d’électrons de valence et de cœur de ces différents atomes. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 17 t) Dessine le deuxième atome de l’exercice B. selon le modèle de Bohr. u) Attribue, à chaque scientifique, le modèle dessiné ci-dessous. v) Quel est le nom des atomes représentés ci-dessous ? Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 18 6) Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 19 Synthèse Je dois être capable de : Savoir : − Définir les mots suivants : o Molécule o Atome o Masse atomique relative − Ecrire le symbole des atomes figurant dans la liste vue en classe à partir de leur nom, Ecrire le nom des atomes figurant dans la liste vue en classe à partir de leur symbole, Décrire les différents modèles atomiques qui ont évolué dans l’histoire et les comparer Expliciter la composition d’un atome. − − − Savoir-faire : − − − Utiliser le tableau de Mendéléev pour en tirer des renseignements. (nombre de protons, de neutrons et d’électrons, électronégativité, masse atomique relative) Décrire la structure électronique externe d’un atome à partir de sa position dans le tableau périodique des éléments. Représenter un atome d’après un modèle. Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 20 Chimie 3ème – sciences 3h/semaine– Chapitre 3 : L’atome et le modèle atomique Page 21
