Partie I : L`UNIVERS

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CH 3 : Les éléments chimiques
I. Les particules de la matière
C'est Isaac Newton qui, le premier, a
compris vers 1667 que si la Terre tourne
autour du Soleil, c'est parce que la matière
attire la matière. De même, comme la Lune
et la Terre sont toutes deux faites de
matière, elles s'attirent l'une vers l'autre.
C'est ce qu'on appelle aujourd'hui la loi de
la gravitation universelle.
Cette loi nous permet de comprendre le
mouvement des planètes, des étoiles et des
galaxies, et explique aussi pourquoi les
objets tombent lorsqu'on les lâche.
Mais depuis les années 1930, des astronomes observent que certaines étoiles et galaxies subissent des effets de la gravitation sans
qu’aucune matière détectable n’en soit à l’origine. Cette gravitation doit donc être exercée par une matière très inhabituelle car
n’émettant aucune forme d'énergie mesurable. Cette matière très mystérieuse a été nommée "matière noire". Elle représenterait
environ 75% de la matière de l'Univers, le reste étant de la matière ordinaire (aussi appelée matière baryonique) composant, entre
autre, les planètes et les étoiles et les êtres vivants.
I.1 Un peu d'histoire
• Ve siècle av. J.C. : Certains philosophes de la Grèce Antique (Leucippe, Démocrite,...)
supposent que la matière ne peut se diviser indéfiniment et qu'elle
doit être composée de minuscules particules insécables : les
atomes (a-tomos).
• XVIII e siècle : Antoine Laurent de Lavoisier (chimiste français) décompose des substances comme l’eau et
montre qu’elles sont faites d’éléments chimiques simples facilement reconnaissables.
• 1804 : John Dalton (chimiste et physicien anglais) déduit que ces éléments
chimiques sont en réalité des atomes sphériques ayant
une masse et une taille différentes selon
l’élément chimique.
• 1869 : Dmitri Mendeleïev (chimiste russe) classe pour la
première fois tous les éléments chimiques alors connus
dans un tableau qui deviendra plus tard le tableau
périodique des éléments.
• 1897 : Joseph John Thomson (physicien anglais) découvre une particule
plus petite que l’atome : l’électron.
Il imagine alors l’atome à l’aide de son modèle de Plum Pudding :
des électrons baignant d’un un « pudding » chargé positivement.
C
H
Au

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• 1911 : Ernest Rutherford (physicien anglais) démontre que
l’atome est composé d’un petit noyau chargé positivement.
• 1913 : Niels Bohr (physicien danois) propose un modèle de
l’atome : noyau chargé positivement avec autour des
électrons chargés négativement.
• 1919 : Ernest Rutherford montre que tous les noyaux atomiques sont faits
d'un assemblage de protons.
• 1932 : On découvre la présence d'une nouvelle particule électriquement
neutre dans les noyaux atomiques : le neutron.
• 1969 : On découvre que les nucléons (protons ou neutrons) sont eux-mêmes
composés de sous-particules appelées quarks.
Exercice 1 :
a. Quelle est la formule chimique de l'eau ? Combien d'éléments chimiques différents y trouve-t-on ?
b. Pourquoi le "pudding" du modèle Plum Pudding de J. J. Thomson doit-il être de charge positive ?
c. Nommer les particules , ,  et .
d. Combien de particules différentes existe-t-il dans le modèle de l'atome de N. Bohr de 1913 ?
e. Quelles sont les particules de la famille des nucléons ?
f. Combien de quarks trouve-t-on dans un nucléon ?
I.2 Représentation d'un atome
La nature réelle d'un atome (et surtout des particules qui le
composent) ne nous sera probablement jamais accessible.
Ainsi, on ne pourra jamais se le représenter de manière
parfaite (à l'aide de schémas ou autre). Maintenant, il reste
néanmoins possible de bien comprendre sa structure et
certaines de ses propriétés à l'aide de modèles pourtant
imparfaits.
Pour les propriétés de l'atome vues au lycée, on utilisera le
modèle de Bohr de 1913.
I.3 Structure d'un atome
Considérons un atome de lithium 7 de symbole :
Li
7
3
A partir de son modèle de Bohr donné ci-dessous,
répondre aux questions de l'exercice 2.
Exercice 2 :
a. Sachant que les neutrons ont une charge électrique nulle, par quel motif
sont-ils représentés sur ce schéma ?
b. Sachant que les électrons ont une charge négative, quelles sont les
particules présentes dans le noyau ? Quel nom leur donne-t-on ?
c. Rechercher, à l'aide du modèle de Bohr de l'atome, à quoi peut bien
correspondre chaque chiffre présent dans le symbole de l'atome.
d. Quelle est la charge totale de cet atome ? Pourquoi ?
e. Que peut-on alors dire de tous les atomes existants, sachant qu'ils sont
tous électriquement neutres ?
f. Rappeler l'ordre de grandeur de la taille de l'atome et celui de son noyau.
modèle de Thomson
modèle de Rutherford
modèle de Schrödinger
modèle de Bohr

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I.4 Les particules subatomiques
Tous les atomes sont faits à partir de 3 particules : les protons, les neutrons et les électrons.
Les principales caractéristiques physiques de ces particules sont données ci-dessous :
Particule
Masse m
Charge électrique q (Coulomb)
Proton
mp = 1,673 × 10 –27 kg
qp = + 1,602 × 10 –19 C
Neutron
mn = 1,675 × 10 –27 kg
qn = 0 C
Electron
me- = 9,1 × 10 –31 kg
qe- = – 1,602 × 10 –19 C
Exercice 3 :
a. Que peut-on dire de la masse du proton et de celle du neutron ?
b. Comparer la masse d’un nucléon à celle de l’électron.
c. En physique, la charge élémentaire notée e est une charge électrique de valeur 1,602 × 10 –19 C. Déterminer la charge
électrique des trois particules du tableau en fonction de e.
d. Pourquoi un atome doit-il, pour être neutre, avoir autant de protons dans son noyau que d'électrons autour ?
A retenir :
 Un atome est toujours électriquement .....................................................
 Le proton et l'électron ont des charges électriques parfaitement .....................................................
 Dans un atome, il y a toujours autant d'électrons que de .....................................................
 Le neutron et le proton ont une masse .....................................................
 Le neutron et le proton font partie de la famille des .....................................................
 L'électron a une masse environ 2000 fois plus faible que celle d'un .....................................................
 Le proton est positif, le neutron est ..................................................... et l'électron est .....................................................
 e est appelé la ..................................................... .....................................................
 La notation d'un atome doit permettre de retrouver le nombre de particules de chaque type qui le composent. On utilise
l'écriture suivante :
A indique le nombre .....................................................
Z indique le nombre .....................................................
X indique le ..................................................... ....................................................
Exercice 4 :
a. Donner le symbole complet d'un atome de chlore
contenant, entre autre, 17 protons et 18
neutrons.
b. Représenter dans le cadre ci-contre le modèle de
Bohr de l'atome
He
3
2
.
Niels Bohr (1885 - 1962)
X
A
Z
nombre de masse
numéro atomique
symbole chimique

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II. Les éléments chimiques
Il existe plus d'une centaine d'éléments
chimiques.
On s'intéressera plus particulièrement aux
éléments des trois premières lignes de la
classification périodique.
II.1 Les différents atomes d'un même élément chimique
On considère les 4 atomes suivants :
Exercice 5 :
Ne considérer que les noyaux de ces atomes pour répondre
aux questions suivantes.
a. A l'aide de la classification réduite et du modèle de
Bohr donnés ci-dessus, compléter le tableau ci-
contre.
b. A quelle condition deux atomes différents font-ils
partie du même élément chimique ?
c. Donner le symbole complet des deux atomes faisant
partie du même élément chimique.
d. Expliquer pourquoi les atomes suivants n'existent
pas :
C
12
5
;
Li
2
3
A retenir :
Deux atomes sont dits ISOTOPES s’ils font partie du même élément chimique (même nombre de protons) mais s’ils diffèrent par leur
nombre de neutrons.
Exercice 6 : Compléter le tableau suivant :
Notation de l’atome
Nombre de protons
Nombre de neutrons
Nombre de nucléons
Nombre d’électrons
5
8
30
16
H
1
1
30
56
atome 1
atome 2
atome 3
atome 4
Elément
chimique
Nombre
de
protons
Nombre
de
neutrons
Nombre
de
nucléons
atome 1
atome 2
atome 3
atome 4

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II.2 Les familles d'éléments chimiques
Ce tableau a été réalisé de manière à placer les éléments chimiques d'une même famille dans une même colonne. Les éléments
chimique d'une même famille ont des propriétés chimiques voisines.
Compléter ce tableau à l'aide de couleurs en tenant compte des critères suivants :
Métaux alcalins : colonne 1, hormis l'hydrogène.
Ils sont mous, de faible densité et réagissent vivement avec l'eau.
Métaux alcalino-terreux : colonne 2.
Ils ont des propriétés proches de celles des métaux alcalins mais réagissent de manière moins virulente.
Halogènes : colonne 17.
Ils forment des sels en réagissant avec les métaux alcalins. On les trouve surtout sous forme de molécules
diatomiques très toxiques.
Gaz nobles : colonne 18.
Ils sont chimiquement inertes.
III. Le cortège électronique
III.1 La forme ionique d'un atome
Un atome est électriquement neutre et
possède donc autant de protons dans
son noyau que d’électrons autour.
Néanmoins, durant certains processus,
l’atome peut être amené à perdre ou à
gagner des électrons. Il deviendra
alors chargé et sera nommé ion.
Exercice 6 :
a. A l'aide des schémas ci-dessus,
compléter les tableaux ci-contre.
b. Pourquoi l'entité de droite ne
peut-elle plus être qualifiée
d'atome ?
c. Qu'aurait-il dû se passer pour
que la charge finale de l'ion
obtenu soit de + 3 ?
d. Même question pour qu'elle soit
de - 2.
Classification périodique
perd un électron
Nombre
Charge (e)
protons
neutrons
électrons
Charge électrique
totale
Avant
Après
Le premier à avoir eu l'idée de classer les éléments chimiques qui
composent la matière dans un tableau est le chimiste russe Dmitri
Mendeleïev. Depuis, ce tableau a été remanié et complété. Il
contient aujourd'hui 118 éléments chimiques.
Nombre
Charge (e)
protons
neutrons
électrons
Charge électrique
totale