Feuille de styles Documents FESeC
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Modèle de l’atome et feu d’artifice Auteur : Marleen Vanoverschelde (dans le cadre du cours d’agrégation du professeur Soumillion, UCL) Il s’agit d’une séquence permettant aux élèves de mettre en application le modèle atomique qui aura été présenté préalablement par le professeur. Exemple de structuration A. Couleurs émises par quelques composés lors de la combustion1 Couleur Éléments Violet Potassium Composés Nitrate de potassium Cuivre Bleu Zinc Vert Jaune Orangé Baryum Sodium Calcium Formule KNO3 Chlorate de potassium KClO3 Chlorure cuivreux CuCl Sulfate de cuivre CuSO4 Poudre de zinc Zn Nitrate de baryum Ba(NO3)2 Chlorure de baryum BaCl2 Chlorate de baryum Ba(ClO3)2 Oxalate de sodium Na2C2O4 Oxyde de sodium Na2O Nitrate de sodium NaNO3 Nitrate de calcium Ca(NO3)2 Nitrate de strontium Sr(NO3)2 Hydroxyde de strontium Rouge Strontium Sr(OH)2 Chlorure de strontium SrCl2 Oxyde de strontium SrO Carbonate de strontium SrCO3 Magnésium Poudre de magnésium Aluminium Poudre d'aluminium Titane Poudre de titane Ti Aluminium Poudre d'aluminium Al Blanc Mg Al Argenté 1 Attention ! Certaines substances citées dans ce tableau ne peuvent pas, pour des raisons de sécurité, faire l'objet des manipulations proposées. C'est le cas, en tout cas, de KNO3 et de NaNO3. Étincelles Aluminium Granules d'aluminium Al On remarque que deux sels contenant le même cation (ion positif) produisent la même couleur. Exemple : CuCl et CuSO4 produisent tout deux une couleur bleue. On peut donc, dans une certaine mesure, prévoir la couleur que produira un sel dans la flamme pour autant que l’on connaisse déjà la couleur caractéristique du cation. B. Emission d’énergie par les atomes a) Un principe physique fondamental et d’observation courante veut que : niveau excité perte d’énergie apport d’énergie niveau fondamental « TOUT SYSTEME PHYSIQUE TEND À PERDRE L’ÉNERGIE QU’IL CONTIENT DE MANIERE À SE RETROUVER DANS UN ETAT DE PLUS GRANDE STABILITÉ. » b) Lorsqu’un électron a acquis de l’énergie, il tend à rendre cette énergie. L’émission d’énergie se fait sous la forme de lumière. c) La quantité d'énergie transportée par la lumière est variable: elle dépend de la couleur de la lumière. C. Réponse à la situation-problème Lors de l’absorption d’énergie, les électrons des atomes sont propulsés vers des orbites électroniques plus externes. Lors de la ré-émission d’énergie, les électrons retombent sur des orbites plus proches du noyau en émettant de la lumière. Chaque type de lumière colorée correspond à une transition énergétique dans l’atome. La grandeur de la transition énergétique détermine la couleur de la lumière émise. Ainsi, lors d’un feu d’artifice, en fonction de l’élément métallique que la poudre contient, l’artificier arrive à obtenir des couleurs bien précises. Il utilisera un sel de sodium pour obtenir une couleur jaune-orangée, un sel de cuivre pour obtenir une couleur bleue … Chaque atome possède des électrons disposés sur des orbites ou des niveaux d’énergie différents. Chaque atome excité émet certaines couleurs caractéristiques de l’élément. Il s’agit toujours d’un mélange de couleurs. Dans certains cas, l’une ou l’autre domine par son intensité. Références bibliographiques http://phys.free.fr/modbohr.htm (site visité le 7 novembre 2010) : c’est sur ce site que se trouve le schéma en 3D du modèle de l’atome de Bohr. http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/theorie/pyrotechnie.html (site visité le 7 novembre 2010) : sur ce site, beaucoup d’informations sur les feux d’artifice (dont le tableau des couleurs émises par les substances lors de leur combustion et une bibliographie). http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/theorie/atomebohr.html (site visité le 7 novembre 2010) : ce site présente la théorie atomique de Bohr. A propos des feux d'artifice … et des mesures de sécurité indispensables http://economie.fgov.be/fr/binaries/fireworks_fr_tcm326-35867.pdf ssite visité le 7 novembre 2010) : ce site émane du gouvernement fédéral de Belgique. Il expose les principales mesures de prévention et de sécurité à prendre pour la mise en œuvre d'artifices de joie (dénomination officielle des feux d'artifice). Documents pour les élèves Mode opératoire Dissoudre un sel dans un peu d’eau et verser cette solution dans un vaporisateur. Projeter un nuage de cette solution dans la flamme du bec Bunsen et observer. Les métaux sont introduits, à l’aide d’une pince, directement dans la flamme. Observer la réaction. Questions 1. 2. 3. 4. Quel est, pour chaque couleur, observée l’élément responsable de celle-ci ? Situez ces éléments sur le tableau périodique. Qu’est-ce qui pourrait justifier selon-vous cette différence de coloration ? Est-il possible de prévoir la coloration de ces différents sels mis dans la flamme ? Pourquoi ? Documents pour le professeur Modèle de l'atome selon Bohr2 Les électrons ne peuvent pas circuler sur n'importe quelle orbite: leur trajectoire est fixée à des orbites bien déterminées. Les orbites électroniques Bohr imagine que les électrons circulent sur des orbites circulaires, bien déterminées autour du noyau. Des expériences quantitatives lui permettent de déterminer la taille de ces orbites. Chaque orbite est désignée par un numéro ou par une lettre (K, L, M, N, O, P, Q). Dans l'atome d'Hydrogène, l'orbite K se trouve à une distance R1 du noyau = 0,529.10-10 mètres. Les orbites suivantes sont à des distances telles que: Rn = R1.n2 où n est le numéro de l'orbite. 2 Ce modèle est un exemple pertinent d'un modèle considéré actuellement comme incomplet mais qui permet de rendre compte d'un certain nombre de phénomènes. C'est l'occasion de signaler aux élèves les limites des modèles scientifiques ainsi que leur aspect provisoire. Le modèle de Bohr de l'atome 1) Selon le modèle de Bohr, l'électron tourne autour du noyau, sur une couche électronique bien définie. 2) Sous l'effet de l'énergie thermique (chaleur) ou électrique, l'électron est excité par cette énergie qu'il absorbe et saute sur une couche électronique plus énergétique. 3) L'électron est sur une couche électronique plus énergétique. Cette situation est instable et le besoin de stabilité l'amène à perdre cette énergie pour se rapprocher du noyau. 4) L'électron revient sur sa couche électronique, à son état fondamental. Lors de son retour, il libère, sous forme d'énergie lumineuse (photons), l'énergie thermique ou électrique qu'il avait absorbée. 5) L'électron est à nouveau sur sa couche électronique définie. Quelques règles pour la construction des atomes Un atome est formé d’un noyau autour duquel circulent un certain nombre d’électrons. La façon dont les électrons sont agencés autour du noyau est importante pour la chimie. Le nombre d’électrons par niveau d’énergie est bien fixé. Chaque orbite électronique peut contenir un nombre d’électrons bien défini. Plus l’orbite est grande, plus le nombre d’électrons qu’elle peut accueillir est grand. Le modèle établi par la branche théorique de la chimie (la chimie quantique) permet de connaître le nombre de places pour les électrons sur chaque orbite. Cette théorie dépasse largement le niveau de ce cours, aussi nous contenterons-nous d’en noter les résultats. Dans une représentation simple, on pourrait dire que la place disponible sur une petite orbite est relativement limitée ; on ne pourra donc pas y disposer beaucoup d’électrons. Inversement, une grande orbite permet d’accueillir beaucoup d’électrons. Le nombre maximum d’électrons par orbite est égal à 2.n2 où n désigne le numéro de l'orbite.
