De l`atome aux éléments

De l'atome aux éléments
1)Description de l'atome
1.1)Activité
On représente l’atome par une sphère dont le centre est occupé
par le noyau qui est 100 000 fois plus petit que l’atome. Presque
toute la masse de l’atome est concentrée dans le noyau. Le noyau
comprend des charges positives, les protons
Autour du noyau gravitent des électrons e- porteurs de charges
négatives.
L’atome est neutre, il comprend autant de charges positives que de
charges négatives.
Placez la légende sur le schéma de gauche à l’aide du texte ci-
dessus.
Distribution de la classification périodique.
Question : représentez au brouillon l'atome d'hélium.
1.2)Un peu d'histoire
Rutherford Historique
Démocrite (-420) a l’intuition que la matière est formée d’atomes. Au Ier siècle av-JC Lucrèce tente
de démontrer l’existence de l’atome. Atome vient de tomos qui signifie couper et le préfixe a signifie
qu’on ne peut couper, insécable. L’atome est décrit comme la particule la plus petite possible.
C’est la théorie des quatre éléments d’Aristote qui va s’imposer jusqu’au XIXe siècle. La
combinaison de la terre, de l’eau, de l’air et du feu explique la composition de la matière.
En 1805, John Dalton reprend la théorie atomique car elle rend bien
compte de ses observations. En 1881, J.J. Thomson découvre les
électrons. En 1904 il décrit l’atome comme des ensembles de charges
positives occupant une petit volume au milieu d’électrons. L’atome
n’est plus insécable ! C’est le modèle du pudding de Thomson.
Chaque charge positive est égale à chaque charge négative, au signe
près :
En 1910, Rutherford montre que la matière contient
essentiellement du vide et que le noyau qui est 100 000 fois
plus petit que l’atome représente presque toute sa masse.
Rutherford décrit un atome dont le modèle est calqué sur celui
des planètes. La masse du soleil représente 99 % de la masse
du système solaire et son diamètre est très petit par rapport à
celui du système solaire. Le noyau est au centre et les
électrons tournent autour sur des trajectoires fixes :
Ce modèle ne permet pas d’expliquer de
nouvelles observations. On doit admettre que
la trajectoire des électrons est plus
compliquée. Le modèle actuel est très
complexe et ne peut plus être représenté par
un dessin. Néanmoins, pour expliquer la
physique et la chimie élémentaire il est
suffisant d’admettre un modèle de l’atome

avec un noyau central positif très petit et des électrons qui tournent autour en formant un nuage
sphérique.
On élabore un modèle conformément aux phénomènes observés, il doit permettre de prévoir
d’autres phénomènes. On modifie le modèle au fur et à mesure des observations.
Répondre aux questions suivantes :
De quand date l’idée de l’atome :
L’idée de l’atome date de Démocrite –420 av-JC.
Quand cette idée a-t-elle été reprise :
L’idée de l’atome n’a été reprise qu’au XIXe siècle.
Pourquoi le terme atome est-il impropre :
L’atome contient des particules différentes que l’on peut séparer.
Que peut-on dire de la comparaison entre la masse des électrons et celle du noyau :
Les électrons sont très légers par rapport au noyau.
Que peut-on dire de la dimension du noyau comparée à celle de l’atome :
Le noyau est 100 000 fois plus petit que l’atome.
Comparer le nombre de particules positives au nombre d’électrons dans l’atome :
Dans un atome il y a autant de particules positives que de particules négatives.
1.3)Observation des atomes
Observation au microscope à champ proche
On déplace une pointe ultrafine au dessus d’une surface. Un système maintient constante la
distance de la pointe à la surface. La force exercée sur la pointe est enregistré :
Balayage
Avancement
de la pointe
Surface
étudiée
Distance pointe-surface = 0,000 000 5 mm
Par quelle figure géométrique a-t-on modélisé l’atome :
On a représenté l’atome par une sphère.

1.4)Ce qu'il faut retenir de l'atome....
Taille comparée terre H Masse concentrée dans noyau
On représente l’atome par une sphère dont le centre est occupé par le noyau qui est 100 000
fois plus petit que l’atome. Presque toute la masse de l’atome est concentrée dans le noyau.
Le noyau comprend des charges positives, les protons
Autour du noyau gravitent des électrons e- porteurs de charges négatives.
L’atome est neutre, il comprend autant de charges positives que de charges négatives.
Un élément est caractérisé par son numéro atomique. Celui-ci correspond au nombre de
protons présent dans le noyau.
Exemple de notation :
Vidéo de la structure du fer
Donner la structure de l'atome d'hydrogène :
•1 proton
•0 neutrons
•1 électrons
Donner la structure de l'atome de carbone :
•6 protons
•6 neutrons
•6 électrons
1.5)Masse d'un atome
Dans le paragraphe précédent nous avons vu que l'essentiel de la masse de l'atome est
concentrée dans le noyau.
•Masse d'un proton : 1,673.10-27 kg
•Masse d'un neutron : 1,675.10-27 kg
•Masse d'un électron : 9,109.10-31 kg
Calculer dans le cas de l'atome de carbone la masse du noyau :
Le noyau de l'atome de carbone comporte 6 protons et 6 neutrons car A=12
m(noyau)=6x1,673.10-27 + 6 x 1,675.10-27 = 2,009.10-26 kg
Calculer la masse représentée par la totalité du cortège électronique :

m(électrons)=6x9,109.10-31 =5,465.10-30 kg
Calculer le rapport
massenoyau
masseelectrons
et discuter l'affirmation suivante : L'essentiel de la masse
est concentrée dans le noyau.
massenoyau
masseelectrons
=
2,009 .10−26
5,465 .10−30
=3676
Le noyau est environ 3600x plus lourd que l'enssemble du cortège électronique.
L'approximation selon laquelle l'essentiel de la masse est contenue dans le noyau est donc
exacte.
2)L'élément chimique
2.1)Les isotopes
Vous avez déjà entendu parler du carbone 14, utilisé pour dater des objets anciens. Le carbone 14
est un des isotopes du carbone. Nous allons préciser cette notion d'isotope, en prenant pour
exemple le lithium.
Le document ci-contre représente deux atomes isolés de
lithium, les électrons étant représentés immobiles (bien qu'ils
ne le soient pas en réalité).
a) Complétez la légende du doc. 1 en retrouvant l'identité de
chaque particule.
b) Déterminez le numéro atomique de chacun des deux
atomes.
Z=3
c)Comptez leur nombre de neutrons.
Il y a 3 neutrons pour le premier et 4 pour le second
d)Déterminez leur nombre de nucléons.
6 nucléons pour le premier et 7 pour le second.
e) Ces deux atomes sont-ils identiques ? En quoi diffèrent-ils ?
Donnez leur représentation symbolique.
Ces deux atome diffèrent ne diffèrent pas par le numéro
atomique z=3 mais par leur nombre de masse.
f) Sachant que ces deux atomes sont isotopes, donnez une
définition de l'isotopie.
Définition :
Des atomes ayant le même numéro atomique mais les nombres de nucléons A différents
sont des isotopes. Des isotopes ont le même nombre d’électrons, mais des nombres de
neutrons différents.
Remarque : Des atomes isotopes ont les mêmes propriétés chimiques. Ils sont désignés par le
même nom et par le même symbole. Seule change l’indication du nombre de nucléons.
Abondance isotopique : De nombreux atomes possèdent plusieurs isotopes naturels. Chaque
isotope est présent dans des proportions connues, dépendant de l’atome considéré. Le tableau
suivant donne les abondances de différents isotopes en fonction du nombre de nucléons.
A=12 A=13 A=14 A=15 A=16 A=17 A=18
Carbone (C) Z=6 98.9 % 1.1 % Traces
Azote (N) Z=7 99.6 % 0.4 %
Oxygène (O) Z=8 98.8 % 0.05 % 0.15 %

Exercice 1 :
Le fer possède 4 isotopes. Le tableau suivant
indique les abondances relatives de chacun
d’eux.
a)Quel est l’isotope le plus abondant ?
b)Sur 1000 atomes de fer, combien trouve t-on
d’atomes de chaque isotope en moyenne ?
c)Calculez la masse approchée de 1000 atomes
de fer. Le fer peut former des ions Fe2+ et Fe3+.
Quels sont les compositions possibles pour ces
deux ions ?
Donnée : mn=mp=1.67.10-27 kg
Exercice 2 :
Le magnésium (Z=12) possède trois isotopes.
Le tableau suivant indique les abondances
relatives de chacun d’eux.
a)Quel est l’isotope le plus abondant ?
b)Donnez la composition atomique des trois
isotopes.
c)Indiquez trois compositions possibles pour
l’ion magnésium II.
d)Calculez la masse approchée de 100 atomes
des magnésium.
Donnée : mn=mp=1.67.10-27 kg
2.2)Rappel sur les ions
2.2.1)Les ions positifs sont des atomes qui ont perdu 1, 2, ou 3 électrons.
Exemple pour l’ion Lithium qui perd un électron. anim
Faites le bilan des charges de l’ion représenté au-dessus.
1) Nombre de charges positives ? 3
2) Nombre de charges négatives ? 2
3) L’ion est-il électriquement neutre ? Non
4) Quelle est la charge globale de l’ion lithium ? 1+
5) Quel symbole pourrai-t-on donner à cet ion ? Li+
Exemple pour l’ion Magnésium : anim
L’atome de magnésium possède 12 électrons. Lorsqu’il se transforme en ion il perd deux
electrons.
Faites un schéma de l’ion magnésium en vous inspirant du schéma ci-dessus.
Deux électrons
(porteurs de
charges négative)
Le noyau porte
trois charges
positives.