L`atome - Hachette

CHAPITRE
57
CHIMIE
OBJECTIFS
4
La nébuleuse du Papillon
dans la constellation
du Scorpion.
Les nébuleuses, issues
d’étoiles en fin de vie,
jouent un rôle crucial dans
l’enrichissement de l’Univers
en éléments plus lourds que
l’hydrogène.
La plupart des atomes
qui composent la Terre
et ses habitants ont été
produits à l’intérieur d’étoiles.
Comment les étoiles
fabriquent-elles les atomes ?
Quelle est la structure d’un atome ?
Connaître la structure d’un atome et celle de son noyau.
Définir un ion monoatomique.
Définir un élément chimique.
L’atome
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Activités
58
1. Que signifient les termes « insécable » et « immuable » ?
2. Quelle découverte montre que l’atome n’est pas insécable ?
3. Quelle différence existe-t-il entre le modèle de THOMSON et celui de RUTHERFORD ?
4. @ Rechercher les noms de quelques physiciens du XXe siècle ayant contribué au
développement de la physique quantique.
L’atome, des philosophes grecs
aux scientifiques du XXe siècle
1
Le modèle de l’atome a évolué au fil du temps.
Quelles ont été les grandes étapes de cette évolution ?
zDès 400 ans av. J.-C., le philosophe grec DÉMOCRITE (460-370 av. J.-C.) (doc. 1)
a l’intuition que la matière est constituée de petits « grains » indivisibles qu’il appelle
atomes (du grec a-tomos littéralement in-sécable). Il imagine les atomes éternels,
pleins et immuables. Selon lui, ils ont une infinité de formes qui permettent d’expli-
quer, par leur assemblage, la diversité des matières qui nous entourent.
zLe philosophe grec ARISTOTE (384-322 av. J.-C.) (doc. 2) conteste l’existence des
atomes. Pour lui, la matière est constituée de quatre « éléments » : le feu, l’air, la terre
et l’eau. Son prestige est tel que l’intuition de DÉMOCRITE est abandonnée.
zEn 1805, l’Anglais John DALTON (1766-1844) (doc. 3) reprend
l’hypothèse atomique de DÉMOCRITE. Selon lui, l’atome est une
sphère pleine de matière. Son modèle permet d’expliquer
les réactions chimiques par assemblage ou séparation des
atomes selon des proportions simples.
zEn 1897, le physicien anglais John Joseph THOMSON (1856-
1940) (doc. 4) découvre l’un des composants de l’atome :
l’électron, particule chargée négativement. En 1904, il pro-
pose un modèle dans lequel l’atome est constitué d’une sphère
chargée positivement parsemée d’électrons en mouvement.
L’ensemble est électriquement neutre.
zEn 1911, le physicien anglais Ernest RUTHERFORD (1871-
1937) propose un modèle précisant la répartition des charges
positives et négatives dans l’atome. L’atome est constitué d’un
noyau chargé positivement autour duquel les électrons sont en
mouvement (doc. 5 et activité 2).
zDe nos jours, le modèle d’atome utilisé par les physiciens fait intervenir la phy-
sique quantique. Cette théorie établit que les électrons n’ont pas d’orbite définie, mais
une « probabilité de présence » autour du noyau au sein d’un « nuage électronique ».
Ce modèle n’autorise plus la schématisation de l’atome.
doc. 1 DÉMOCRITE.
doc. 2 ARISTOTE.
doc. 3 John DALTON.
doc. 4 John Joseph
THOMSON.
doc. 5 Ernest
RUTHERFORD.
eOHFWURQ
6SKqUH
FKDUJpH
SRVLWLYHPHQW
+
-
-
-
-
-
-
-
--
-
-
+
-
1R\DX
eOHFWURQ
Antiquité
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Animation dans le
manuel numérique
enrichi
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4 L’atome
Activités
59
Par ailleurs, quelques points fluorescents apparaissent
aussi autour de cette tache centrale.
3. Quelle information supplémentaire peut-on en
déduire ?
Enfin, quelques rares taches fluorescentes sont visibles
sur l’écran E1 placé du côté de la source.
4. Comment interpréter l’existence de ces taches ?
D Conclusions de RUTHERFORD
RUTHERFORD propose alors le modèle d’atome suivant :
– l’atome est essentiellement constitué de vide ;
– l’atome est constitué d’un noyau central chargé posi-
tivement autour duquel des électrons chargés négati-
vement sont en mouvement.
5. Quelle observation a amené RUTHERFORD à conclure
que la matière est essentiellement constituée de
vide ?
6. Comparer qualitativement la taille du noyau à celle
de l’atome.
7. D’après le document 7, les particules α qui passent
près d’un noyau sont-elles attirées ou repoussées
par celui-ci ?
8. Sachant que les particules α sont chargées posi-
tivement, que peut-on en conclure sur la charge du
noyau ?
L’expérience décisive de RUTHERFORD
2
A Contexte historique
À la fin du XIXe siècle, le physicien français Henri
BECQUEREL découvre la radioactivité. Au même moment,
Ernest RUTHERFORD étudie les rayonnements issus de
matières radioactives. Il s’intéresse, en particulier, aux
particules
αα
qui sont des noyaux d’hélium.
B Description de l’expérience
L’idée est de déterminer la structure de l’atome en étu-
diant la trajectoire des particules α lorsqu’elles rencon-
trent une feuille métallique. Une feuille d’or de quelques
micromètres d’épaisseur est placée dans une enceinte
vide. Elle est bombardée par des particules α (doc. 6).
Deux écrans fluorescents sont placés, l’un avant la
feuille d’or (écran E1) et l’autre après (écran E2). Un
point lumineux se forme sur les écrans chaque fois
qu’ils sont percutés par une particule α.
On suppose, tout d’abord, comme DALTON et THOMSON,
que les atomes sont des sphères pleines, rangées les
unes contre les autres.
1. Que devrait-il se passer pour les particules α ?
C Observations
Une tache fluorescente très intense apparaît au centre
de l’écran E2. L’intensité lumineuse de cette tache est
très légèrement inférieure à celle que l’on obtient en
enlevant la feuille d’or.
2. Que peut-on déduire de ces observations ?
L’expérience de RUTHERFORD a été décisive pour comprendre la structure de l’atome.
Quelle était cette expérience ?
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Animation dans le
manuel numérique
enrichi
doc. 6 Schéma du dispositif expérimental.
doc. 7 Représentation schématique de la trajectoire
de quelques particules α à travers la feuille d’or.
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60
Activités
c. Compléter le schéma de la réaction :
Métal cuivre
Cu(s) ..........
Action
de l’acide nitrique
B Action de la soude
sur l’ion cuivre (II) Cu2+(aq)
zDans un tube à essais, verser environ 0,5 mL de la
solution obtenue à la question 1.
zÀ ce prélèvement, ajouter goutte à goutte une solu-
tion concentrée de soude (ou solution d’hydroxyde de
sodium) et observer.
zObserver les étiquettes des solutions d’acide nitrique
et d’hydroxyde de sodium utilisées pour ce TP.
1. Qu’indiquent les pictogrammes présents sur les
étiquettes (voir fiche n° 9 page 313) ?
2. Rechercher la signification des codes associés à
chacune des solutions.
3. Quelles précautions faut-il prendre pour mani-
puler de telles solutions ?
L’état physique des espèces chimiques est précisé entre
parenthèses :
(s) : espèce solide ; (aq) : espèce en solution aqueuse ;
(ᐍ) : espèce liquide ; (g) : espèce gazeuse.
A Action de l’acide nitrique
sur le métal cuivre Cu(s)
Réactions chimiques avec l’élément cuivre
3
Les éléments chimiques se conservent au cours d’une réaction chimique.
Comment le mettre en évidence avec l’élément cuivre ?
5. a. Faire le schéma de l’expérience et noter les
observations.
b. Compléter le schéma de la réaction :
.......... Hydroxyde
de cuivre (II)
Cu(OH)2(s)
Action
de la soude
C Action de l’acide sulfurique sur
l’hydroxyde de cuivre (II) Cu(OH)2(s)
zAjouter, dans le tube à essais précédent, environ 2 mL
d’une solution diluée d’acide sulfurique et observer.
6. a. Faire le schéma de l’expérience et noter les
observations.
b. Établir le schéma de la réaction réalisée.
D Action du métal fer
sur l’ion cuivre (II) Cu2+(aq)
7. Proposer un protocole expérimental pour observer
l’action du métal fer sur les ions cuivre (II) en s’aidant
de schémas légendés.
zMettre en œuvre ce protocole après en avoir discuté
avec le professeur.
8. a. Noter les observations.
b. Établir le schéma de la réaction réalisée.
E Conclusion
9. Compléter le schéma ci-dessous regroupant les
différentes réactions chimiques réalisées.
..........
..........
..........
..........
Action
de l’acide nitrique
...................
................... ...................
zSous la hotte, placer un petit
morceau de tournure de cuivre
dans un tube à essais.
zAjouter environ 2 mL d’une
solution concentrée d’acide
nitrique et observer (doc. 8).
4. a. Faire le schéma de
l’expérience et noter les
observations.
b. À quel ion peut-on attri-
buer la couleur prise par la
solution ?
D
'
I
N
V
E
S
T
I
G
A
T
I
O
N
D
É
M
A
R
C
H
E
doc. 8 Action de l’acide
nitrique sur le métal cuivre.
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4 L’atome
Cours
1.1 Constitution d’un atome
En 1911, Ernest RUTHERFORD (activités 1 et 2) propose le modèle d’atome
suivant (doc. 1) :
Un atome est électriquement neutre. Il est constitué d’un noyau central
chargé positivement et d’électrons chargés négativement, en mou-
vement autour du noyau.
1.2 Le noyau d’un atome
Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, appelés
nucléons (doc. 2).
Deux nombres entiers Z et A suffisent à caractériser un noyau :
Z est le nombre de protons, Z est appelé numéro atomique ;
A est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
(A – Z) est le nombre de neutrons.
Pour commencer, exercices 1 et 2, p. 67
Les protons sont les porteurs de charge du noyau (doc. 3). La charge d’un
proton, notée e, est appelée charge élémentaire.
Elle s’exprime en coulomb (symbole C) et a pour valeur :
e = 1,60 × 10–19 C.
Les neutrons ne portent pas de charge électrique.
Ainsi, la charge positive du noyau, notée Q, est égale à la charge des Z
protons qui le constituent :
Q = Z × e.
Pour commencer, exercice 3, p. 67
Les masses du proton mp et du neutron mn sont voisines (doc. 3). Il est
ainsi possible de considérer que :
mp
≈≈
mn = mnucléon = 1,67 × 10–27 kg.
Dans l’Univers (doc. 4), on a pu identifier environ 300 noyaux différents.
1.3 Les électrons
Les électrons constituent le cortège électronique de l’atome.
Un électron porte une charge électrique négative égale à – e, opposée
à la charge du proton.
La charge du noyau est égale à Z × e. La neutralité électrique d’un atome
impose une charge globale des électrons (– Z × e) opposée à celle du
noyau. Il y a donc Z électrons dans le cortège électronique d’un atome.
Un atome contient autant de protons que d’électrons.
La masse d’un électron est environ 2 000 fois plus petite que celle d’un
nucléon (doc. 3).
Pour commencer, exercices 4 et 5, p. 67
Quelle est la structure d’un atome ?
1
VOCABULAIRE
Un modèle est une représentation
simplifiée d’un système complexe.
+
-
-
-
-
-
-
-
--
-
-
+-
1R\DX eOHFWURQ
1HXWURQ
3URWRQ
Particule Charge (C) Masse (kg)
Proton 1,602 × 10−19 1,672 6 × 10−27
Neutron 01,674 9 × 10−27
Électron − 1,602 × 10−19 9,109 3 × 10−31
doc. 1 Représentation schématique
du modèle d’atome de Rutherford.
doc. 2 Représentation schématique
du noyau d’un atome.
doc. 4 « Les piliers de la création », nuage
de gaz et de poussières dans la nébuleuse
de l’Aigle situé à 7 000 années-lumière
du Soleil.
doc. 3 Charges et masses du proton,
du neutron et de l’électron.
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62
Cours
1.4 Masse d’un atome
La masse d’un électron étant négligeable devant celle d’un nucléon,
la masse d’un atome est très voisine de celle de son noyau.
La masse approchée m d’un atome est la somme de la masse des Z protons
et de la masse des (A – Z) neutrons qui le constituent (doc. 5) :
m = Z × mp + (A – Z) × mn.
Comme mp ≈ mn = mnucléon = 1,67 × 10−27 kg, la masse approchée m de
l’atome peut être prise égale à :
m = A × mnucléon.
Pour commencer, exercice 6, p. 67
1.5 Dimensions des atomes et des noyaux
Le diamètre d’un atome, assimilé à une sphère, est de l’ordre de 10–10 m.
Le noyau d’un atome occupe une sphère dont le diamètre est de l’ordre
de 10–15 m.
Le noyau est environ 100 000 fois (105 fois) plus petit que l’atome.
Comme l’a établi l’expérience de RUTHERFORD (activité 2), l’espace consi-
dérable entre les électrons et le noyau est vide.
Un atome est essentiellement constitué de vide : on dit qu’il a une
structure lacunaire.
Comment se forment les ions ?
2
2.1 Définitions
Un ion monoatomique est formé lorsqu’un atome gagne, ou perd, un ou
plusieurs électrons.
Un anion a une charge négative. Un cation a une charge positive.
2.2 Charge d’un ion
La charge d’un ion est indiquée en exposant et s’exprime en nombre de
charges élémentaires e (doc. 6 et 7).
Par exemple, lorsqu’un atome de cuivre perd 2 électrons, il devient un
cation cuivre (II) de formule Cu2+ et porte une charge égale à + 2 e.
De même, lorsqu’un atome de chlore gagne 1 électron, il devient un anion
chlorure de formule Cl– et porte une charge égale à – e (doc. 6 et 7).
Lors de la formation d’un ion, seul le cortège électronique est modifié.
Le noyau reste inchangé : il garde le même nombre de protons et de
neutrons.
Pour commencer, exercices 7 et 8, p. 67
doc. 7 Les eaux minérales contiennent
de nombreux ions.
Atome ZA
Masse approchée
(kg)
Hydrogène 11 0,167 × 10−26
Fluor 919 3,17 × 10−26
Fer 26 56 9,35 × 10−26
Dimension d’un atome :
1 × 10−10 m = 105 fm.
Dimension d’un noyau :
1 × 10–15 m = 1 fm.
Anions Cations
Chlorure Cl–Sodium Na+
Iodure I–Potassium K+
Bromure Br–Hydrogène H+
Fluorure F–Cuivre (II) Cu2+
Sulfure S2– Fer (II) Fe2+
Oxyde O2– Fer (III) Fe3+
Nitrure N3
–
Aluminium Al3+
doc. 6 Les anions et cations monoatomiques
les plus courants.
doc. 5 La masse approchée des atomes est
de l’ordre de 10–26 kg.
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63
4 L’atome
Cours
Qu’est-ce qu’un élément chimique ?
3
3.1 Notation symbolique d’un atome
Un atome de symbole chimique X, dont le noyau comporte A nucléons
et Z protons, est noté A
ZX.
Ainsi, l’atome de cuivre noté 63
29Cu a un noyau qui contient 63 nucléons,
dont 29 protons et 63 – 29 = 34 neutrons (doc. 8).
3.2 Atomes et ions isotopes
Des atomes ou des ions isotopes ont le même numéro atomique Z, mais
des nombres de nucléons A différents.
Ainsi, les isotopes ont le même nombre de protons, mais des nombres
de neutrons différents.
Les deux atomes 63
29Cu et 65 29Cu sont isotopes, car ils ont un numéro ato-
mique identique (Z = 29) et des nombres de nucléons A différents (A = 63
pour le premier et A = 65 pour le second).
Des atomes isotopes ont le même nombre d’électrons : c’est la raison
pour laquelle ils ont des propriétés chimiques identiques.
Pour commencer, exercices 9 et 10, p. 67
3.3 L’élément chimique
Le métal cuivre Cu et l’ion cuivre (II) Cu2+ diffèrent par leur nombre d’élec-
trons : le nombre d’électrons ne caractérise pas un élément chimique.
Par ailleurs, les deux atomes isotopes 63
29Cu et 65 29Cu diffèrent par leur
nombre de neutrons : le nombre de neutrons ne caractérise pas non plus
un élément chimique.
En revanche, Cu2+, 63
29Cu et 65 29Cu ont le même numéro atomique Z = 29.
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z.
Chaque élément possède un nom et un symbole qui commencent par une
lettre majuscule, le plus souvent la première lettre du nom français ou
latin (doc. 9 et 10).
Tous les atomes et les ions d’un même élément ont des noyaux contenant
le même nombre de protons.
Les observations faites dans l’activité 3 montrent que le métal cuivre Cu,
l’ion cuivre (II) Cu2+ et l’hydroxyde de cuivre Cu(OH)2 contiennent tous
l’élément cuivre (doc. 11). Ceci est généralisable :
Au cours des réactions chimiques, les noyaux n’étant pas modifiés, les
différents éléments sont conservés. Aucun élément ne peut apparaître
ou disparaître dans une réaction chimique.
Pour commencer, exercice 11, p. 67
Cu(s) Cu2+(aq)
Cu2+(aq) Cu(OH)2(s)
action du
métal fer action de la soude
action de l'acide
sulfurique
action de
l'acide nitrique
doc. 11 Diagramme des différentes
réactions faisant intervenir l’élément cuivre.
Nom de
l’élément Symbole Numéro
atomique Z
Hydrogène H 1
Carbone C6
Azote N7
Oxygène O8
Chlore Cl 17
Cuivre Cu 29
doc. 9 Symboles d’éléments usuels.
Nombre de nucléons
A = nombre de protons + nombre de neutrons
Numéro atomique
Z = nombre de protons
Symbole de
l’atome de cuivre
63
29Cu
doc. 8 Notation symbolique d’un atome
de cuivre.
doc. 10 L’élément hélium He a été
découvert en 1868 en analysant la lumière
du Soleil : son nom dérive de helios qui
signifie « Soleil » en grec.
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64
Retenir l’essentiel
SAVOIR
Les savoirs
Connaître les constituants d’un atome
• Un atome est constitué d’un noyau
central chargé positivement et d’élec-
trons chargés négativement en mou-
vement autour du noyau.
• Le noyau est constitué de A nucléons
dont Z protons et (A – Z) neutrons.
• Un proton a une charge électrique e
et un neutron une charge nulle.
La charge Q du noyau est Q = Z × e.
• Le cortège électronique d’un atome
comprend Z électrons portant chacun
une charge électrique – e.
• Un atome de symbole X dont le noyau comporte A nucléons et Z protons est noté A
ZX.
• La masse d’un atome est concentrée dans son noyau. La masse approchée m d’un atome est m = A × mnucléon.
• Un atome est essentiellement constitué de vide : il a une structure lacunaire.
Définir un ion monoatomique
• Un ion monoatomique est formé lorsqu’un atome a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
• Un anion est un ion qui a une charge négative. Un cation est un ion qui a une charge positive.
Définir un élément chimique
• Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z. Tous les atomes et ions d’un même élément
chimique ont des noyaux contenant le même nombre de protons.
• Des atomes ou des ions isotopes ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents.
• Au cours des réactions chimiques, les différents éléments se conservent.
Les compétences attendues
• Déterminer la constitution d’un atome ou d’un ion à partir de sa notation symbolique.
• Connaître et utiliser le symbole A
ZX.
• Calculer la masse approchée d’un atome à partir de la masse de ses constituants.
• Pratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la conservation des éléments chimiques au cours d’une
réaction chimique. [ TP ]
+
+
-
-
-
-
-
-
-
-
--
-
-
3URWRQ
1R\DX eOHFWURQ 1HXWURQ
Cu2+
Symbole de l’élément
Charge de l’ion
X
A
Z
Nombre de nucléons ⫽ Nombre de protons ⫹
Nombre de neutrons
Symbole de l’élément
Numéro atomique ⫽ nombre de protons
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65
4 L’atome
SAVOIR
S’auto-évaluer
QCM
ÉNONCÉ A B C Si échec
revoir
1. Une météorite
ferreuse contient
des atomes de fer.
Le noyau d’un atome
de fer est caractérisé
par les nombres A = 56 et Z = 26.
Ce noyau contient :
26 protons 26 nucléons 30 neutrons §1 p. 61
2. Un proton porte une charge
électrique :
égale à celle
d’un neutron égale à e égale à celle
de l’électron §1 p. 61
3. Un atome possède : autant d’électrons
que de protons plus de protons que de nucléons plus d’électrons que de protons §1 p. 61
4. La masse d’un atome est à peu près
égale à :
la masse
de ses protons la masse de ses nucléons la masse de son noyau §1 p. 62
5. La dimension d’un atome est : de l’ordre
du millimètre de l’ordre de celle du noyau
105 fois plus
grande que celle
du noyau §1 p. 62
6. L’ion fer (III) Fe3+ : est un cation provient d’un
atome qui a gagné
3 électrons
provient d’un
atome qui a perdu
3 électrons §2 p. 62
7. La couleur bleue,
sur cette image de
la nébuleuse de l’Aigle,
est due à l’émission
lumineuse des ions
oxyde O2–.
L’ion oxyde O2– :
porte une charge
égale à – 2 C porte une charge égale à – 2e
provient
d’un atome
d’oxygène
qui a gagné
2 électrons
§2 p. 62
8. Les atomes 16
8O,18 8O et l’ion 17 8O2– : appartiennent
au même
élément chimique
sont 3 isotopes
de l’élément
oxygène
ont le même
nombre
de protons §3 p. 63
9. Le chlorure
de cuivre (II) (a),
le sulfate de
cuivre (II) (b) et
le métal cuivre (c) :
contiennent tous
des atomes
de cuivre
contiennent tous
l’élément
cuivre
contiennent tous
des ions
cuivre (II) §3 p. 63
10. Lors d’une réaction chimique : il y a
conservation
des éléments
chimiques
il y a
conservation
des noyaux
il y a
conservation
des atomes §3 p. 63
Réponses p. 319
ab
c
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