HPT Formation scientifique UAA9 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. Document1 1 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 1 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. 1 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. Document1 2 Very Large Telescope de l’Observatoire européen austral (désert d’Atacama au Chili) L’œil humain Microscope optique Microscope à effet tunnel 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 2 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). 2 Il s’agit des technologies qui permettent l’étude de phénomènes qui se déroulent au niveau du nanomètre. Document1 3 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 référence3. 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. 3 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. Document1 4 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 4. 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 : 4 - 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. A noter cette notation particulière : + ou – pour une charge électrique simple, 2+ ou 3- pour une charge électrique multiple. Document1 5 Partie II. Corps métalliques et corps non métalliques Tableau périodique des éléments chimiques Dès le début du XIXe siècle, la nécessité de pouvoir classer les éléments chimiques apparait car ceuxci deviennent de plus en plus nombreux. La découverte de nouvelles substances et de nouveaux éléments pousse les scientifiques à essayer de les regrouper. Les chimistes arrivent à mettre en évidence que toutes les substances contiennent un nombre restreint d'éléments chimiques, qui servent de briques de construction pour élaborer ces substances. Julius Lothar Meyer (1830 – 1895) est l'un des premiers à proposer un système de classification en 1864. Il a classé les éléments en les regroupant selon le nombre maximum de liaison que chaque élément peut réaliser. Dimitri Mendeleïv (1834 – 1907) tenta de classer les éléments selon certaines de leurs propriétés. Il a observé que les propriétés réapparaissaient de façon périodique lorsqu'il classait les éléments par masse croissante. A chaque retour d'une propriété, Mendeleïev indiquait celui-ci dans une autre ligne d'un tableau. Son génie fut de laisser des cases vides dans son tableau lorsqu'un élément ne présentait pas les propriétés attendues. Il prédit ainsi l'existence d'autres éléments ayant des propriétés semblables aux autres du même groupe5 avant qu’ils ne soient découverts. En 1913, la classification des éléments évolua pour la dernière fois. On s'aperçut que si l'on tient compte des propriétés chimiques des éléments naturels, les éléments ne doivent pas être classés selon leurs masses atomiques mais selon leurs numéros atomiques (nombre de protons de l'élément). C'est donc le nombre de protons qui détermine la nature de l'élément et une partie de ses propriétés. Source de l’illustration : http://www.takween.com/molecules-organiques-minerales.html (page consultée le 02/11/2015) Les corps métalliques et les corps non métalliques dans le tableau périodique Les éléments contenus dans une colonne de la classification périodique ont des propriétés chimiques semblables. Les éléments de chaque colonne forment un groupe. 5 La définition d’un groupe est donnée au paragraphe suivant. Document1 6 L’hydrogène H dont la structure est très simple (1 proton et 1 électron) se place à part. De même, on distingue les gaz nobles qui forment la dix-huitième colonne. Les autres éléments se différencient en métaux et non-métaux. Les métaux sont des éléments qui engendrent facilement des cations. Les non-métaux sont des éléments qui forment facilement des anions. Les métaux Le groupe des métaux alcalins (colonne 1) A l’exception de l’hydrogène, les éléments de la première colonne – lithium Li, sodium Na, potassium K, rubidium Rb et cérium Ce (le francium Fr est un métal peu abondant et radioactif) – sont des corps mous, légers et très facilement fusibles. Ils sont très réactifs chimiquement, ils sont oxydés par l’oxygène de l’air pour engendrer des oxydes Li2O, Na2O, K2O, …. Ils réagissent tous avec l’eau, à la température ordinaire, en formant du dihydrogène H 2 et une solution à caractère basique. La réaction est lente avec le lithium, vive avec le potassium et surtout le sodium, explosive dans le cas du rubidium et du césium. Le groupe des métaux alcalino-terreux (colonne 2) Les alcalino-terreux sont le béryllium Be, le magnésium Mg, le calcium Ca, le strontium Sr et le baryum Ba (le radium Ra est un élément peu abondant et radioactif). Très réactifs chimiquement, ils ont des propriétés voisines de celles des alcalins. Ils s’oxydent facilement, donnant des oxydes MgO (magnésie), CaO (chaux vive), BaO… Ils réagissent avec l’eau, moins vivement que les alcalins (le calcium est celui qui réagit le plus vivement). Propriétés des métaux On peut voir un métal comme un arrangement de cations maintenus ensemble par une « mer » d’électrons mobiles : ce sont des solides ioniques. Cela explique que les métaux conduisent l’électricité parce que les électrons peuvent se déplacer sous l’action d’une différence de potentiel. L’éclat caractéristique des métaux est dû également à la mobilité des électrons. Lorsqu’une onde lumineuse frappe la surface d’un métal, elle déplace les électrons mobiles en avant et en arrière. Ces électrons oscillants émettent de la lumière, que nous voyons comme un éclat et qui est essentiellement une réémission de la lumière incidente. C’est pourquoi l’image dans un miroir – une fine couche métallique sur du verre – est un portrait fidèle de l’objet reflété. La mobilité des électrons explique aussi la malléabilité d’un métal, son aptitude à être mis en forme par martelage, et sa ductilité, son aptitude à être étiré en fils. Comme les cations sont entourés par une mer d’électrons, les liaisons sont très peu directionnelles. Il en résulte qu’un cation peut être déplacé par rapport à ses voisins sans trop d’effort. Le choc d’un marteau peut déplacer de nombreux cations. La mer d’électrons s’ajuste immédiatement pour faire en sorte que les atomes ne soient pas expulsés mais restent liés dans leur nouvelle position. Les métaux sont plus malléables que les autres solides : lorsque des groupes d’atomes sont déplacés, la mer d’électrons les suit. Les non-métaux Propriétés des non-métaux Les non-métaux forment des oxydes acides. Cette série comprend l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre et le sélénium. Alors que les métaux forment des solides ioniques, les non-métaux formant des solides covalents sont des isolants parce que leurs électrons sont confinés dans les atomes et les molécules individuelles. Les propriétés physiques des non-métaux les différencient nettement des métaux : une densité, des températures de changement d'état, des conductivités électrique et thermique plus faibles que celles des métaux. Ils se caractérisent aussi par une forte électronégativité, des oxydes acides et une absence de malléabilité et de ductilité à l'état solide. Document1 7 Conclusion Source de l’illustration : http://lachimie.net/fiches/lachimie.net.metauxetnonmetaux.pdf (page consultée le 02/11/2015) Les propriétés physiques et chimiques particulières à chaque élément chimique constitutif d’un objet ou d’une substance déterminent l’utilisation que l’on en fait. Références - ATKINS, P.W., JONES, L., LAVERMAN, L., Principes de chimie, Ed. De Boeck Supérieur, Bruxelles, 2011 - TOMASINO, A., LORRIN, C., Chimie 2e, Ed. Nathan, France, 1993 - CAPELLE, Ph., Clarifications conceptuelles à l’usage du professeur – HGT Chimie – UAA1 et UAA2, 2015, http://enseignement.catholique.be/fesec/secteurs/sciences/ (page consultée le 27 octobre 2015) - ACADÉMIE DE BESANÇON, Histoire du modèle atomique, http://artic.acbesancon.fr/sciences_physiques/physique_chimie/college/b2i/histoire_atome/dossier_eleve/Texte_ historique.htm (page consultée le 12 novembre 2014) - FEDICHEM, Tableau périodique des éléments et quelques-unes de leurs applications pratiques, http://lejphysiquechimie.e-monsite.com/medias/files/tableau-periodique-fedichem.pdf (page consultée le 2 novembre 2015) - FORTIN, R., Les échantillons biologiques sont de taille variée, http://slideplayer.fr/slide/514363/ (page consultée le 27 octobre 2015) - LABORATOIRE DE PHYSIQUE DE LA MATIÈRE CONDENSÉE, Microscopie à effet tunnel, http://pmc.polytechnique.fr/groupes/electrochimie/techniques/stm.htm (page consultée le 27 octobre 2015) - MISEUR, L., Métaux et non métaux, http://www.lachimie.net/index.php?page=11#.VfFipzYViUk (page consultée le 02/11/2015) - TURPIN, Cl., MERRE, A., PELLEN, A., TPE, la nanotechnologie – L’avenir de la nanotechnologie, http://tpe-1ere-la-nanotechnologie.e-monsite.com/pages/i-qu-est-ce-que-la-nanotechnologie1.html, (page consultée le 27 octobre 2015) Document1 SlidePlayer, 2009, 8 Annexe 1. Les modèles de l’atome Au VIe siècle avant J.-C., des philosophes grecs (Thalès et Empédocle) proposent un premier modèle pour la constitution de la matière sur base d’une observation simple : quand un morceau de bois brûle, il y a production de fumée, de vapeur d'eau et de cendre. C’est donc que le morceau de bois contient tous ces éléments. Pour eux, donc, toute matière est constituée de quatre éléments: la terre (ici, les cendres), l'eau, le feu et l'air (ici, la fumée). Un peu plus tard, au Ve siècle avant notre ère, Démocrite, un savant philosophe grec, propose un modèle original : pour lui, la matière est constituée de particules infiniment petites et indivisibles qu’il appelle « atomos », entre lesquelles existe un espace vide. En grec ancien le mot « atomos » signifie indivisible. Il est assez remarquable que ce modèle qui date de plus de 2500 ans conserve encore des traces aujourd’hui. Le modèle de Démocrite correspond à une matière discontinue, faite d’entités indépendantes. Cependant, le modèle qui eut le plus de succès dans l’Antiquité (et jusqu’au XVIII e siècle, pendant plus de 2000 ans donc) est le modèle d’Aristote, qui a vécu au IVe siècle avant J.-C. Pour Aristote, la matière ne peut être que continue. Toute matière est formée d’une proportion déterminée des 4 éléments de Thalès et ce sont les changements dans ces proportions qui engendrent les différentes matières que nous voyons. Le Moyen Age voit se développer l’alchimie, axée principalement sur la découverte d'une substance (la pierre philosophale) qui transformerait les métaux les plus communs en or ou en argent, et sur la découverte de moyens permettant de prolonger la vie des hommes. Dès le IVe siècle après J.-C., les alchimistes arabes travaillent avec l'or et le mercure, l'arsenic et le soufre, les sels et les acides. Ils se familiarisent avec une large gamme de ce que l'on appelle maintenant les réactifs chimiques. Ils pensent que les métaux sont des corps composés, constitués de mercure et de soufre en différentes proportions. Ils pensent que la transmutation (le fait de pouvoir transformer en or d’autres métaux comme l’argent) est possible ; leurs méthodes ressemblent à des tâtonnements à l'aveuglette. Cependant, ils trouvent de cette façon de nombreuses substances nouvelles et inventent de nombreux procédés utiles. Ils sont, sous bien des aspects, les précurseurs de la science moderne, en particulier de la chimie. En provenance du monde musulman, l'alchimie se propage à travers l'Espagne et l'Europe. Les premiers travaux authentiques de l'alchimie européenne sont ceux du moine anglais Roger Bacon et du philosophe allemand Albert le Grand. Tous deux croient en la possibilité de transmuter les métaux en or. Cette idée excite l'imagination - et plus tard l'avarice - d'un grand nombre de personnes au Moyen Âge. Ces dernières croient que l'or est le métal parfait et que les autres métaux sont imparfaits. Ils cherchent également à fabriquer ou à découvrir une substance, appelée la pierre philosophale, beaucoup plus parfaite que l'or, qui peut être utilisée pour amener les métaux de base jusqu'à la perfection de l'or et qui peut également leur assurer le non vieillissement ! Document1 9 Vers le XVe siècle, des savants commencent à progresser dans la connaissance de la matière et à remettre en doute les concepts aristotéliciens du monde et de la matière, par la mise en œuvre de premières démarches expérimentales. Citons ci-dessous quelques exemples de ces scientifiques préoccupés par la composition de la matière. Robert Boyle (chimiste anglais du XVIIe siècle) propose que la matière soit faite de quelques substances simples appelées éléments. Dans les années 1780, Antoine-Laurent Lavoisier réussit à décomposer l'oxyde de mercure et énonce la loi de la conservation de la masse. Louis Joseph Proust, (1754-1826), chimiste français, montre la constance de la composition de l'eau, quelle que fût sa provenance. Il est amené à énoncer la loi des proportions définies, parfois appelée loi de Proust. Cette loi stipule que les éléments d'un composé sont tous présents dans des proportions massiques fixées, indépendamment de la manière dont le composé a été préparé. Pour Proust la matière est constituée d'éléments simples qui pouvaient se combiner en éléments composés. Sa loi est cependant mal acceptée, jusqu'à ce que Jöns Jacob Berzelius, un chimiste suédois, lui apporte son soutien, en 1811. Proust réussit également à isoler un sucre du raisin, qui était en fait du glucose. Avec ces scientifiques commence un nouvel âge pour la science, plus axée sur la recherche et l'expérimentation ET sur une confrontation des modèles avec la réalité. John Dalton (1766-1844), chimiste et physicien britannique, développe la théorie atomique sur laquelle est fondée la science physique moderne. Dalton naît le 6 septembre 1766 à Eaglesfield, dans le Cumberland (aujourd'hui Cumbria, au NordOuest de l’Angleterre). Son père est tisserand. Il est d'abord instruit par son père puis à l'école de sa ville natale, où il commence à enseigner à l'âge de douze ans ! En 1781, il se rend à Kendal (ville de la Cumbria), où il dirige une école avec son cousin et son frère aîné. Il s'installe à Manchester en 1793 et y passe le reste de sa vie comme professeur, d'abord au nouveau collège puis plus tard comme précepteur. Dalton commence en 1787 une série d'observations météorologiques qu'il poursuit pendant cinquante-sept ans, accumulant quelque deux cent mille observations et mesures du temps dans la région de Manchester. L'intérêt de Dalton pour la météorologie le conduit à étudier différents Document1 10 phénomènes ainsi que les instruments utilisés pour les mesurer. Il est le premier à prouver la validité de l'idée selon laquelle la pluie est provoquée par une baisse de température, non par un changement de la pression atmosphérique. Le premier travail de Dalton, « Observations et essais météorologiques », en 1793, ne suscite que peu d'intérêt. L'année suivante, il présente un article sur la maladie appelée aujourd’hui daltonisme, maladie dont Dalton souffre lui-même, devant la société philosophique et littéraire de Manchester. Cet article est la toute première description de ce phénomène. La plus importante contribution de Dalton à la science est sa théorie selon laquelle la matière est composée d'atomes indivisibles de différentes masses et que ces atomes se combinent en respectant des proportions massiques simples. Cette théorie, que Dalton propose pour la première fois en 1803, est la pierre d'angle de la science physique moderne. En 1808, est publiée l'œuvre de Dalton intitulée « Un nouveau système de philosophie chimique ». Dans ce livre, il dresse la liste des masses atomiques d'un certain nombre d'éléments connus par rapport à la masse de l'hydrogène. Ses masses ne sont pas entièrement correctes mais elles forment la base de la table périodique moderne des éléments. Dalton arrive à sa théorie atomique par une étude des propriétés physiques de l'air atmosphérique et des autres gaz. En 1804 et en 1809, Dalton est invité à enseigner à Londres. Il devient membre de la Royal Society en 1822. Il est récompensé par la médaille d'or de la société en 1826. En 1830, Dalton devient l'un des huit associés étrangers de l'Académie française des sciences. Il meurt à Manchester le 27 juillet 1844. Voici les axiomes importants de la théorie de Dalton. La matière est composée de particules invisibles, indivisibles, massiques appelées atomes. Les atomes d'un élément donné sont identiques. Les atomes d'éléments simples se combinent dans des proportions bien définies pour former des atomes composés (les composés). Mickaël Faraday (1791-1867), chimiste et physicien britannique né à Newington (quartier de Londres). Il fait d'importants travaux dans le domaine de l'électricité et du magnétisme. En 1832, il réalise une électrolyse. Il fait passer un courant électrique dans une cuve remplie d'eau, et constate que du dihydrogène se dégage à l'électrode négative, et du dioxygène à l'électrode positive. En mesurant la quantité de gaz produits, il se rend compte qu'elle dépend directement de la quantité d'électricité qui a circulé dans la cuve; le courant électrique coupe apparemment l'eau en ses 2 éléments chimiques de base (cela s'appelle une électrolyse). Faraday ne voit qu'une explication au phénomène: l'électricité doit être, d'une manière ou d'une autre, la force qui lie les atomes entre eux. Sir William Crookes (1832-1919), chimiste et physicien britannique né à Londres. Il invente le tube électronique à cathode froide appelé aujourd'hui tube de Crookes. Ses recherches les plus importantes portent sur la conductivité électrique des gaz. Il est le premier à produire des rayons cathodiques. Il invente également le radiomètre et le spinthariscope, un détecteur de particules. Il mène des recherches dans de nombreux domaines et il découvre le thallium. Document1 11 Le tube de Crooke s Sir Joseph John Thomson (1856-1940), physicien de nationalité anglaise, lauréat du prix Nobel. Thomson reçoit en 1906 le prix Nobel de physique pour son travail sur la conduction de l'électricité par les gaz. Grâce à la découverte de Crookes, Thomson est à l'origine de la découverte de l'électron par ses expérimentations sur les flux de particules (électrons) créés par des rayons cathodiques. Théoricien et expérimentateur, Thomson avance en 1898 la théorie du «pain aux raisins» sur la structure atomique, dans laquelle les électrons sont considérés comme des «raisins» négatifs enfoncés dans un «pain» de matière positive. On appelle souvent le modèle de Thomson, modèle du pain aux raisins (ou encore modèle du plum pudding, dessert traditionnel servi à Noël en Angleterre). Henri Becquerel (1852-1908), physicien français lauréat du prix Nobel. Il découvre la radioactivité de l'uranium. En 1896, il découvre accidentellement le phénomène de la radioactivité au cours de ses recherches sur la fluorescence. Après avoir placé des sels d'uranium sur une plaque photographique dans un lieu sombre, Becquerel s'aperçoit que la plaque avait noirci. Ce fait prouvait que l'uranium dégage de l'énergie, phénomène connu par la suite sous le nom de radioactivité. En 1903, Becquerel partage le prix Nobel de physique avec les physiciens français Pierre et Marie Curie pour leur travail sur la radioactivité. Document1 12 Marie Curie (1867-1934), physicienne française d'origine polonaise, à l'origine de la découverte des éléments chimiques radium et polonium, prix Nobel en 1903. Elle obtient également le prix Nobel de chimie en 1911. L'étude des éléments radioactifs par le couple Curie contribue à la compréhension des processus atomiques, fondement de la physique nucléaire moderne. Lord Ernest Rutherford (1871-1937), physicien britannique, lauréat du prix Nobel pour ses travaux en physique nucléaire et pour sa théorie relative à la structure de l'atome. Rutherford naît en août 1871 à Nelson, en Nouvelle-Zélande, et fait ses études à l'université de Nouvelle-Zélande, puis à celle de Cambridge. Il enseigne la physique à l'université McGill de Montréal, au Québec, de 1898 à 1907. C'est en 1908 qu'il reçoit le prix Nobel de chimie pour ses découvertes sur la structure de l'atome. Rutherford est l'un des premiers et des plus importants chercheurs dans le domaine de la physique nucléaire. Peu de temps après la découverte de la radioactivité, en 1896, par le physicien français Henri Becquerel, Rutherford identifie les trois composants principaux du rayonnement, qu'il baptise respectivement rayonnements alpha, bêta et gamma. Il montre également que les particules alpha sont en fait des noyaux d'hélium. Son étude du rayonnement le conduit à élaborer une théorie de la structure atomique. Il est ainsi le premier à décrire l'atome comme un noyau dense autour duquel gravitent des électrons. En 1919, Rutherford fait une expérience importante en physique nucléaire : en bombardant de l'azote gazeux avec des rayons alpha du radium, il obtient la formation de noyaux d’atomes d’hydrogène (les protons) et d'atomes d'un isotope de l'oxygène. Cette transformation de l'azote en oxygène est la première transmutation artificielle. Ce résultat suscite le démarrage de recherches intensives sur d'autres transformations nucléaires et sur la nature et les propriétés du rayonnement. Rutherford et le physicien anglais Frederick Soddy proposent une explication de la radioactivité toujours en vigueur aujourd'hui. Sur base de cette histoire du modèle de l’atome, comment décrire les différents modèles de l’atome ? Le modèle atomique de Dalton (1803) : les atomes sont des particules invisibles, indivisibles et massiques qui composent la matière. Le modèle atomique de Thomson (1898) : chaque atome est comparable à un «pain» de matière positive dans laquelle les électrons sont enfoncés comme des «raisins» négatifs (c’est le modèle du pain aux raisins ou encore le modèle du plum pudding). L’atome est neutre : la charge positive du « pain » compense la charge négative des « raisins ». Document1 13 Le modèle atomique de Rutherford (1911) : l'atome est un noyau dense chargé positivement autour duquel gravitent « dans le vide » des particules négatives, les électrons, comme des planètes autour du Soleil (c’est le modèle planétaire de l’atome). L’atome est neutre. Plus tard (en 1919), Rutherford découvre que le noyau contient lui aussi des particules, les protons, chargées positivement. L’électron est considéré comme la particule atomique de charge électrique unitaire négative et le proton comme la particule atomique de charge électrique unitaire positive. L’atome étant neutre, il y a autant de protons dans le noyau que d’électrons en orbite autour du noyau. Le nombre de protons est caractéristique de l’élément. Annexe 2. Le tableau périodique des éléments http://lejphysiquechimie.e-monsite.com/medias/files/tableau-periodique-fedichem.pdf (page consultée le 2 novembre 2015) A cette adresse, vous trouverez un tableau périodique qui renseigne les principales applications des éléments chimiques. Document1 14