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AUTEURS : Brigitte Janssens, Pascale Sartiaux
Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur
L’atome, constituant élémentaire de la matière
Introduction
Cette UAA9 entrouvre la porte du monde microscopique. Les élèves sont amenés à modéliser les
phénomènes chimiques qu’ils perçoivent sans pour autant appréhender l’écriture symbolique et
abstraite.
Dans cette partie du cours de formation scientifique, les élèves observent certains phénomènes et les
modélisent en utilisant le modèle de Dalton.
Partie I. Atomes et molécules
Corps purs et mélanges
Toute matière est formée d’espèces microscopiques (atomes, molécules, ions).
Un corps pur est une matière formée d’espèces identiques, un mélange est une matière formée de
deux ou plusieurs espèces distinctes.
Un corps pur simple est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées d’un seul type
d’atomes (par exemple, O2, H2, Cl2). Il existe des corps purs métalliques (symbolisés par M) et des
corps purs non métalliques (symbolisés par X).
Un corps pur composé est un corps pur dont les espèces constituantes sont composées de deux ou
plusieurs types d’atomes (par exemple, H2O, H2SO4). Généralement, on classe les corps purs
composés en corps minéraux (eau, acides, bases ou hydroxydes, oxydes et sels) et en corps
organiques.
HPT
Formation scientifique
UAA9

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Un mélange est un ensemble formé de deux ou plusieurs corps purs, chacun des constituants
conservant ses propriétés de départ.
Scientifiquement, un mélange est dit homogène s’il possède les mêmes propriétés en tout point. A ce
niveau, on considèrera un mélange comme homogène si ses constituants ne sont pas visibles à l’œil
nu.
Scientifiquement, un mélange est dit hétérogène s’il ne possède pas les mêmes propriétés en tout
point. A ce niveau, on considèrera un mélange comme hétérogène si ses constituants sont visibles à
l’œil nu.
Objets microscopiques
Une molécule est l’espèce chimique que l’on obtient à la limite de partage d’une substance. Une
molécule a des propriétés propres (par exemple liées à sa forme ou à sa composition) mais elle n’a,
en tous cas pas, les propriétés de la substance dont elle est une composante : si la substance est
colorée, inodore et conductrice de l’électricité, ce n’est pas le cas d’une molécule composant cette
substance.
Une molécule a généralement une dimension ultra petite, de l’ordre de 10-9 m.
Un atome est l’espèce chimique composant la molécule. Bien entendu, un atome est encore plus petit
qu’une molécule : sa dimension est de l’ordre de l’Å (angström), soit 10-10 m.
Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou des électron(s).
Dans le cas d’un gain d’électrons, l’ion est négatif, c’est un anion. Dans le cas d’une perte d’électrons,
l’ion est positif, c’est un cation.
Depuis très longtemps, l’être humain se pose la question: de quoi est constituée la matière ? Et
finalement, de quoi est constitué un atome ? Les scientifiques ont alors élaboré des modèles
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de
l’atome qui ont beaucoup évolué en fonction du contexte historique et des développements
technologiques (voir annexe 1).
Ordre de grandeur d’un atome
Les dimensions d’un atome et d’une molécule sont tellement petites qu’il est difficile de se représenter
leur taille réelle. Pour appréhender ces dimensions, on place la taille de différents objets sur une
échelle de longueur, depuis le monde macroscopique jusqu’au monde nanoscopique (voir l’illustration
à la page suivante).
Comme on peut le voir, l’ordre de grandeur des molécules et des atomes se situe au niveau du
nanomètre.
A chaque ordre de grandeur, son instrument d’observation :
- le télescope pour observer des objets stellaires ;
- l’œil pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du mètre ;
- le microscope optique pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du
micromètre (comme la cellule) ;
- le microscope à effet tunnel pour l’observation d’objets dont les dimensions sont de l’ordre du
nanomètre.
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Un modèle est une représentation simplifiée d’un objet, d’un phénomène ou d’un processus. En fonction de l’objectif
poursuivi, le scientifique décide quelles caractéristiques il va négliger pour construire son modèle. Un modèle peut être
descriptif, explicatif ou prédictif.

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Source de l’illustration : http://www.maxicours.com/se/fiche/3/8/370083.html/2e (page consultée le 02/11/2015)
Remarque concernant le microscope à effet tunnel
L'étude de l'échelle nanoscopique ne se fait pas avec n'importe quels types d'instrument. Cette
étude nécessite des aménagements particuliers, tels que ceux rencontrés dans les microscopes à
effet tunnel. C'est pour cela que seuls les ingénieurs peuvent manipuler les nanotechnologies
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avec
des machines très sophistiquées pour améliorer les inventions. Le préfixe « nano » vient du grec
nanos qui signifie "nain" Il divise par 1 milliard l'unité dont il précède le nom (par exemple, une
nanoseconde est une durée 1 milliard de fois plus brève qu'une seconde, un nanomètre est 30 000
fois plus petit que le diamètre d'un cheveu).
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Il s’agit des technologies qui permettent l’étude de phénomènes qui se déroulent au niveau du nanomètre.
Very Large Telescope de
l’Observatoire européen austral
(désert d’Atacama au Chili)
L’œil humain
Microscope optique
Microscope à effet tunnel

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Pour faire une comparaison de taille, il y a le même rapport de taille entre un atome et une orange
qu’entre cette même orange et la Terre.
Voici ci-contre une image du
microscope à effet tunnel, inventé en
1981 par des chercheurs d'IBM. Avec
lui, le « nano-monde » est à notre
portée. Grâce à cet instrument,
l'observation des atomes est possible.
On peut même obtenir des images à
l'échelle atomique. C’est un microscope
qui utilise un phénomène quantique:
l'effet tunnel. Son principe de
fonctionnement est simple: une pointe
métallique (nanopointe) survole la
surface du matériau à quelques
nanomètres de distance. .Ensuite, une
tension électrique est appliquée entre la
pointe et la surface. Par « l'effet
tunnel », des électrons peuvent alors franchir cette distance et produire un courant électrique. Après
avoir scanné la surface du matériau, un ordinateur ajuste en temps réel la hauteur de la pointe et
enregistre cette hauteur qui permet de reconstituer la surface avec une grande précision de l'ordre de
l'atome.
La photo ci-contre est un exemple d’image obtenue par microscopie à effet
tunnel. Elle montre une surface d’alliage Pd/Au dans laquelle on distingue
nettement les atomes de Pd qui apparaissent plus gros et plus foncés que
les atomes d’or.
Source de l’illustration : http://pmc.polytechnique.fr/groupes/electrochimie/techniques/stm.htm
(page consultée le 02/11/2015)
Caractéristiques de l’atome
Chaque atome est caractérisé par :
 un nombre atomique, noté Z, qui correspond au nombre de protons de son noyau et au nombre
d’électrons (c’est aussi le numéro d’ordre de l’atome dans le tableau périodique) ;
 une masse atomique relative, notée Ar, qui est le rapport entre la masse de cet atome et la
masse de l’atome d’hydrogène, choisie comme référence
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. C’est le rapport de deux grandeurs
(deux masses) de même unité : c’est donc un nombre qui n’a pas d’unité.
Source de l’illustration : http://rihetperez.free.fr/dmenu3.html (page consultée le 02/11/2015)
Remarque : dans le cadre du cours de formation scientifique, on ne distingue pas les neutrons et les
protons ; le noyau, positif, est vu comme un ensemble de particules élémentaires.
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A ce niveau, la masse atomique relative est arrondie à l’unité : on désigne alors cette grandeur comme étant le nombre de
masse A, qui est en fait la somme du nombre de protons et de neutrons du noyau.

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Ecriture symbolique des atomes et des molécules
Ecriture symbolique des atomes
Les atomes sont désignés par une lettre majuscule (C pour le carbone, par exemple) ou par une lettre
majuscule suivie d’une minuscule (Ca, pour le calcium par exemple). Cette désignation porte le nom
de symbole chimique.
Ecriture symbolique des molécules
Les molécules, étant constituées d’atomes, sont désignées par la suite des symboles des atomes dont
elles sont constituées. Les atomes sont toujours placés dans l’ordre des électronégativités
croissantes. Cette désignation porte le nom de formule chimique : la formule chimique d’une
molécule fournit le nombre d’atomes de chaque espèce chimique qui la compose.
 Quand une molécule contient plusieurs atomes identiques, le nombre de ces atomes est désigné
par un indice : par exemple, la molécule de CaCl2 contient 1 atome de calcium et 2 atomes de
chlore.
 Quand une molécule contient plusieurs fois un groupement d’atomes identiques, ce groupement
est placé entre parenthèses auxquelles on ajoute un indice pour désigner le nombre de
groupements : par exemple, la molécule Ca3(PO4)2 contient 3 atomes de calcium et 2 groupements
PO4 (phosphate).
 Quand on souhaite mentionner plusieurs molécules, leur nombre est désigné par un coefficient,
placé devant le symbole de la molécule : par exemple 2 KOH désigne 2 molécules de KOH.
Les ions sont porteurs d’une charge électrique. Celle-ci est désignée par un exposant placé en haut à
droite du symbole de l’atome dont est issu l’ion : par exemple, l’ion Mg2+ est l’ion magnésium porteur
d’une double charge électrique positive
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Notion d’élément
Un élément est une collection d’entités qui ont toutes le même nombre de protons.
La notion d’élément renvoie au niveau macroscopique et au niveau microscopique :
- C’est une substance chimique pure composée d’atomes ayant tous le même nombre de
protons dans le noyau atomique. Dans ce sens, l’élément est une entité macroscopique.
- C’est une sorte d’atome : tous les atomes qui ont le même nombre de protons au sein du
noyau atomique sont le même élément. Dans ce sens, l’élément est une entité
microscopique : on parlera ainsi du tableau périodique des éléments.
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A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple.