1- L`organisation de la matière

Chapitre 1- L'atome et les éléments chimiques
A- Toujours et partout
ans les temps antiques, la connaissance s'est d'abord développée par nécessité :
connaître l’heure pour fixer le début et la fin du couvre-feu des villes fortifiées,
avoir un calendrier pour connaître le temps des semailles, calculer des surfaces
agraires et des volumes pour fins d'impôts, conserver les aliments, soigner les
malades...
D
Durant longtemps, les seuls à s'interroger réellement quant à la nature de la
matière furent les alchimistes. Les connaissances progressaient alors de la façon
«essais-erreurs». Les théories solides étaient à peu près absentes. La plupart du
temps, leurs conceptions faisaient intervenir magie et sorcellerie. Les herboristes et
apothicaires fabriquaient les médicaments à partir de plantes et d'herbes. On sait
aujourd'hui que la matière est faite d'atomes, mais la technologie nécessaire pour le
prouver n'existe que depuis un peu plus d'un siècle.
Il y a plus de 2000 ans, le Grec Démocrite d'Abdère développa l'idée que la
matière était constituée de petites particules incassables qui furent ainsi nommées
atomes (le mot atome signifie incassable). Cette idée fut ensuite rejetée durant plus
de deux millénaires, jusqu'à ce que le Britannique John Dalton la ressuscite au début
du XIXe siècle. Il associa à chaque élément une sorte d'atome distinct et unique. Le
Britannique Joseph John Thomson détermina que les atomes n'étaient pas incassables
et qu'on pouvaient en sortir de petites particules qu'il nomma électrons. Le
Néo-Zélandais Ernest Rutherford découvrit qu'en réalité, ces électrons tournaient
autour d'un minuscule noyau. L'Italien Amadeo Avogadro avança l'idée que les
atomes se groupent en molécules pour former les substances que nous côtoyons dans
notre vie quotidienne.
Depuis la fin du XVIIIe siècle, on sait que ce que les Grecs ou les Chinois
nommaient des éléments n'en sont pas. En réalité il y a environ 90 éléments naturels
et on connaît aujourd'hui plus de 110 éléments. C'est le Français Antoine de Lavoisier
qui a développé vers 1785 la notion d'élément telle qu'on la conçoit aujourd'hui. Le
Suédois Jöns Jacob Berzélius imagina la représentation des éléments chimiques à l'aide
de symboles formés d'un maximum de deux lettres.
Chaque élément a des propriétés chimiques et physiques qui lui sont propres.
Certains éléments ayant des propriétés ressemblantes sont regroupés en familles. Le
Russe Dimitri Mendeleïev a classé les éléments chimiques connus à son époque en
familles, créant ce que l'on nomme aujourd'hui le tableau périodique. Ce tableau a
subi plusieurs transformations depuis sa création par Mendeleïev. L'Américain Glen
Seaborg lui donna sa forme actuelle en 1945. Un tableau périodique est présenté à la
page ...
Les Allemands Robert Bunsen et Gustav Kirchhoff créèrent l'analyse spectrale
(basée sur le spectre de la lumière) permettant de connaître les éléments contenus
dans divers objets éloignés comme le Soleil ou les étoiles. Le Danois Niels Bohr
expliqua le spectre lumineux des éléments en précisant comment les électrons étaient
placés autour du noyau atomique.
Empédocle (490-435 av.J-C)
...affirme que la matière est formée de
quatre éléments de base : la terre,
l'eau, l'air et le feu. À ces quatre
éléments sont associées quatre
qualités : le chaud, le froid, le sec et
l'humide. On retrouve la même
façon de penser dans la pensée
médicale antique ou médiévale : les
quatre qualités sont associées à des
humeurs, qui sont des fluides circulant dans le corps. Par exemple, le
feu est chaud et sec et le sang est
chaud et humide
Démocrite (460-370 av.J-C)
...affirme que la matière est formée de
petites particules séparées, invisibles
à l'oeil nu et indivisibles. Il nomme
«atomes» ces particules. C'est le
modèle discontinu de la matière et ce
modèle implique l'existence du vide :
entre les particules, il n'y a rien.
L'arrangement et la disposition des
atomes expliquent les caractéristiques
des substances les unes par rapport
aux autres.
Aristote (384-322 av.J-C)
...ne croit pas à la présence de vide
dans la matière. En conséquence, il
s'oppose au modèle de Démocrite et
rejette l'idée de l'atome. Pour lui, la
matière est continue et les quatre
éléments ne sont que les
manifestations d'une matière
primitive pouvant prendre différentes
formes.
Ainsi, on peut se rendre compte à la lecture de ce texte qu'un seul individu n'aurait pas pu découvrir
l'ensemble des connaissances concernant la nature de la matière. Les travaux de scientifiques sont construits sur
ceux de leurs prédécesseurs et ces travaux transcendent les frontières.
B- Le modèle atomique
es atomes sont extrêmement petits. Ce n'est pas pratique d'en mesurer la masse Antoine Laurent de Lavoisier
en grammes. On a donc inventé une unité pratique afin de les mesurer. C'est
(1743-1794)
l'unité de masse atomique que l'on symbolise par la lettre u. Ainsi, il est beaucoup
plus pratique de dire que l'atome d'oxygène a une masse de 16u plutôt qu'une masse
Il utilise systématiquement la balance
pour contrôler la masse des
de 0,000 000 000 000 000 000 000 027 g.
L
substances avant et après les réactions
chimiques. Il vérifie ainsi la véracité
de la phrase «Rien ne se perd, rien ne
se crée, tout se transforme».
De plus, il démontre que l'air,
l'eau et plusieurs «éléments» solides
(terre) ne sont pas des éléments. Les
travaux de Lavoisier marquent le
début de la chimie moderne.
L'atome est constitué de trois sortes de petites particules : les électrons, les
protons et les neutrons. Ces deux derniers se situent dans le minuscule noyau de
l'atome et sont donc nommés nucléons. Les électrons tournent autour du noyau, sur
ces couches électroniques bien précises.
Un proton et un neutron ont environ la même masse, soit 1 u chacun. En
comparaison, un électron a une masse négligeable, soit 0 u. Enfin, certaines de ces
particules ont des charges électriques. Un électron a une charge électrique de -1, un
proton a une charge électrique de +1 et un neutron est... neutre.
Le nombre d'électron que peut contenir chaque couche électronique est limité.
On peut calculer ce nombre à l'aide de l'équation
nbmax = 2n2 , où n est le numéro
de la couche considérée.
En résumé :
ÿ
L'atome est composé d'un noyau + ou sont concentrés les
.
et autour duquel tournent les
ÿ
Un atome stable est
ÿ
Z = nb de
ÿ
Z est nommé le
ÿ
A = nb de
ÿ
A est nommé le
ÿ
On peut faire passer des électrons d'un niveau à un autre, ce qui implique
un ΔE (changement énergétique).
ÿ
ÿ
,
: il y a autant de protons que d'électrons.
. C'est la principale caractéristique d'un élément.
.
= nb de
+ nb de
.
.
L'électron peut passer à un niveau
donne la quantité d'énergie appropriée.
lorsqu'on lui
L'électron peut passer à un niveau
quantité d'énergie correspondante.
en libérant la
Évolution du modèle de l'atome
John Dalton (1766-1844) affirme
que la matière est formée de petites
particules incassables nommées
atomes. Ces derniers ont une masse
définie et mesurable.
Joseph John Thomson (18561940) imagine l'atome comme un
«plum pudding au raisons» positif
duquel il est possible de retirer de
petites particules négatives : les
électrons.
Ernest Rutherford (1871-1937)
découvre que l'atome possède un
noyau en cherchant à comprendre la
radioactivité. Ce noyau est la partie
essentielle de tout atome et contient à
peu près toute la masse de l'atome.
Niels Bohr (1885-1962) découvre
que les électrons tournent autour du
noyau sur des niveaux bien précis. Il
explique ainsi les phénomènes
lumineux et l'analyse spectrale.
On peut enlever ou ajouter des électrons à un atome :
Si on enlève des électrons à l'atome, celui-ci devient un ion
.
Si on ajoute des électrons à l'atome, celui-ci devient un ion
.
La charge totale des électrons est appelée charge électronique. La charge totale des protons est
appelée charge nucléaire. La charge globale de l'atome est appelée charge atomique.
A
Z symbole
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chimique
Lecture
p.26-32
C- Des éléments et des symboles
la fin des années 90, des chercheurs affirment avoir découvert les éléments 112, 114, 116 et 118. À ce jour,
cette découverte n'a pas encore été confirmée par l'IUPAC (Union internationale de chimie pure et
appliquée). Tant qu'un élément récemment découvert n'a pas reçu de nom officiel, il est représenté par un
symbole temporaire comportant trois lettres, chacune des lettres correspondant à l'un des chiffres du numéro
atomique (0 = nil / 1 = un / 2 = bi / 3 = tri / 4 = quad / 5 = pent / 6 = hex / 7 = sept / 8 = oct / 9 = enn).
À
105 : un-nil-pent-ium ... Unp
112 : un-un-bi-um
... Uub
118 : un-un-oct-ium ... Uuo
Toute substance existant sur Terre est fabriquée à partir d'environ 90 éléments, Il n'y en a pas d'autres. Ce
sont les mêmes éléments qui forment l'ensemble de l'Univers. Évidemment, ces éléments ne sont pas tous
présents dans les mêmes proportions et certains sont beaucoup plus fréquents que d'autres. Ainsi, l'hydrogène
forme à lui seul près de 98% de tout l'Univers.
La répartition des éléments chimiques dans l'Univers n'est pas homogène et certains sont concentrés pour
former des « grumeaux ». Ces grumeaux sont les planètes. L'oxygène compte pour 32% de la Terre dans son
ensemble. Cette proportion monte à 50% lorsqu'on ne parle que de la croûte terrestre.
Chaque élément chimique est représenté par un symbole. Les règles utilisées pour écrire ces symboles sont
les suivantes : Les symboles sont composés d'une ou deux lettres. La première est toujours une majuscule. S'il y
a une deuxième lettre, elle est toujours minuscule.
C : carbone
O : oxygène
Co : cobalt
CO : carbone et oxygène
À chacun des éléments chimiques correspond un numéro atomique unique. Ainsi, l'hydrogène porte le
numéro 1, le carbone le numéro 6 et l'oxygène le numéro 8. Tous les éléments chimiques du numéro 1 jusqu'au
numéro 111 ont été identifiés et nommés.
Exercices
1.
Complète les exercices 1 à 6 de la page 55 de Synergie.
2.
Identifie les éléments entrant dans la composition des substances dont les formules chimiques sont les
suivantes.
3.
a)
CaCO3
c)
LiI
d)
H2O
f)
Cu5FeS4
g)
KAlSi3O8
h)
WC
Détermine le symbole de chacun des éléments suivants. Indique le symbole en y ajoutant les valeurs A et Z.
aluminium
cuivre
plomb
carbone
californium
calcium
cadmium
mercure
hydrogène
soufre
silicium
potassium
azote
or
platine
étain
potassium
chlore
argon
uranium
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4.
Complète le tableau suivant.
Particules
localisation
masse
Autour du noyau, sur des
orbitales bien précises
9,11 x 10-31 kg
charge
découverte
Thomson
0,0005 uma
correspondant à des niveaux
d'énergie
1897
nombre de masse =
1,67 x 10-27 kg
Rutherford
1,0072 uma
1919
nombre de masse =
1,67 x 10-27 kg
Chadwick
1,0086 uma
1932
nombre de masse =
5.
Voici une liste d'éléments chimiques.
Al C Ca Fe H He Mg N Na O P S Si Cl
Les réponses aux questions suivantes sont comprises dans cette liste.
a)
Quel élément forme à lui seul la presque totalité de l'Univers ?
b)
Quels sont les quatre éléments les plus importants de la matière vivante ?
c)
Quels sont les cinq éléments les plus communs dans la croûte terrestre ?
d)
Parmi les éléments précédents, identifies-en un ...
...essentiel pour permettre au sang de transporter l'oxygène.
...assurant la solidité du squelette.
...utilisé dans les fabrication des allumettes.
...utilisé dans la fabrication des puces électroniques des ordinateurs (il a d'ailleurs donné son nom à une
région de San Francisco où ces puces sont fabriquées).
...qui est métallique, très léger et utilisé dans la fabrication des avions.
...qui est liquide à la température normale de la pièce.
...formant 78% de l'air que tu respires.
...permettant aux dirigeables de s'élever dans les airs.
...formant le carburant des moteurs principaux de la navette spatiale.
...entrant dans la composition chimique du sel de table.
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6.
7.
8.
Un atome neutre possède 25 protons, 29 neutrons et 25 électrons. Détermine ...
a)
...son numéro atomique.
g)
...son nombre Z.
b)
...son nombre de masse.
h)
c)
...sa charge atomique.
...le nombre de particules dans son nuage
électronique.
d)
...sa charge nucléaire.
i)
...quelles sont les particules présentes dans
son nuage électronique.
e)
...sa charge électronique.
f)
...son nombre A.
Un atome neutre a un total de 23 nucléons et 11 électrons tournent autour de son noyau.
a)
Quelle est sa charge électronique ?
b)
Quelle est son nombre de masse ?
c)
Combien a-t-il de protons ?
d)
Quel est son numéro atomique ?
e)
Quel est le nombre total de particules formant
cet atome ?
f)
Combien a-t-il de neutrons ?
Un atome neutre est caractérisé par les nombres A = 19 et Z= 9. Détermine...
a)
...son numéro atomique.
e)
...son nombre de neutrons.
b)
...son nombre d'électrons.
f)
...sa masse atomique.
c)
...sa charge nucléaire.
g)
d)
...son nombre de nucléons.
...combien il possède de particules chargées
dans le noyau.
4.
Quelles particules sont présentes dans le noyau ?
5.
Un atome a 92 p+, 92 e- et 146 n0. Quelles sont les valeurs de A et de Z ?
6.
Où sont les électrons dans un atome ?
7.
Qu'est-ce qui rend le noyau de l'atome positif ?
8.
Qu'est-ce qui rend le nuage électronique de l'atome négatif ?
9.
Classe les mots suivants par ordre croissant de taille de ce qu'ils désignent : atome, molécule, noyau, objet,
proton.
Page 5 de 12
D- Schématisation d'un atome
P
lusieurs types de schémas permettent de représenter un atome. Ces différents schémas mettent en évidence
différentes caractéristiques de l'atome et donc permettent d'en travailler tel ou tel aspect. Deux des
schémas les plus utilisés sont la représentation du modèle actuel simplifié et la notation de Lewis.
1)
Modèle actuel simplifié
Pour construire la représentation du modèle actuel simplifié, on n'a qu'à suivre les étapes suivantes.
ÿ
On inscrit le symbole chimique de l'élément.
ÿ
Les nombres Z et A sont écrits à la gauche du symbole, A en haut et Z en bas.
ÿ
Le nombre de protons et le nombre de neutrons sont écrits dans un cercle symbolisant le noyau, et
situé tout juste à droite du symbole.
ÿ
Le modèle actuel simplifié sert à représenter des atomes électriquement neutres. Le nombre
d'électrons sur les niveaux d'énergie est donc égal au nombre de protons dans le noyau. Le
nombre d'électrons est distribué sur des arcs de cercle numérotés représentant les niveaux
d'énergie. Il faut tenir compte du nombre maximal d'électrons que peut contenir un niveau (2n2)
Modèle actuel simplifié de l'atome de chlore
Modèle actuel simplifié de l'atome d'oxygène
Modèle actuel simplifié de l'atome de potassium
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2)
Notation de Lewis
La notation de Lewis est un outil permettant d'illustrer la distribution des électrons contenus sur la dernière
couche non saturée d'un atome. On dit qu'une couche est saturée lorsqu'elle possède 8 électrons (2électrons
dans le cas de la première couche). Les électrons situés sur cette couche sont nommés électrons de valence.
·Écrire le symbole de l'élément
·Disposer les électrons de valence autour du symbole de l'élément, aux points cardinaux.
·Les points doivent être placés un à la fois, en faisant le tour du symbole progressivement.
·Si l'élément a plus de 4 électrons de valence, des points seront doublés jusqu'à qu'à un maximum de 8.
Na
Ca
Al
·Les électrons seuls sont des électrons
responsables de la formation des différents liens chimiques.
S
Ar
. Ce sont eux qui sont
Exercices
1.
Fais le schéma du modèle actuel simplifié des éléments demandés.
a)
Modèle actuel simplifié de l'atome de phosphore
b)
Modèle actuel simplifié de l'atome de béryllium
c)
Modèle actuel simplifié de l'atome d'argon
Page 7 de 12
2.
3.
Combien les éléments suivants possèdent-t-il d'électrons célibataires ?
a)
C
d)
Na
g)
Ne
j)
Li
b)
P
e)
Si
h)
Na
k)
H
c)
Mg
f)
F
i)
Ar
l)
He
Complète les exercices 7 à 10 de la page 55 de Synergie.
Lecture
p.26-32
Évolution du tableau périodique
E- Petit historique du tableau périodique
Graphique du volume
atomique en fonction
de la masse atomique
Julius Lothar Meyer
(1837-1895) découvre que lorsque
les éléments sont classés en ordre
croissant de poids atomique,
plusieurs de leurs propriétés varient
de façon périodique. En 1864, il
classe ainsi 28 éléments en 6 familles,
laissant un « blanc » pour un élément
à découvrir.
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev
(1834-1907) classe tous les
éléments connus par ordre croissant
de leur masse atomique. Au fur et à
mesure de la progression, il place
dans une même colonne les éléments
chimiques dont les propriétés sont
voisines.
Henry Moseley (1887-1915)
invente la spectroscopie des rayons
X. Il s'en sert pour déterminer le
numéro atomique de chaque élément
en se basant sur le nombre d'électrons
que possède un atome neutre. Il
refait alors la classification de
Mendeleïev en se basant sur le
numéro atomique plutôt que sur la
masse.
Glen Seaborg (1912-1999)
réorganise la classification de
Mendeleïev en plaçant les périodes
horizontalement.
Tableau de classification
élaboré par Mendeleïev en
1869
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F- Les grandes catégories d'éléments chimiques
Expérience 1A Les catégories d'éléments chimiques.
Le comportement des substances étudiées permet de les regrouper en catégorie :
(1)
se retrouvent ensembles;
(2)
se retrouvent ensembles;
(3)
sont à peu près sur la limite.
Propriétés communes de (1)
Ces éléments et ceux placés dans la même région du tableau sont
appelés :
Propriétés communes de (2)
Ces éléments et ceux placés dans la même région du tableau sont
appelés :
Catégorie (3)
Certains éléments chimiques possèdent certaines des propriétés de (1)
.
et certaines des propriétés de (2). Ce sont les
Les métalloïdes
bore, B
carbone, C
silicium, Si
germanium, Ge
arsenic, As
sélénium, Se
antimoine, Sb
tellure, Te
bismuth, Bi
polonium, Po
Lecture
p.38-40
Page 9 de 12
G- Les familles chimiques
En plus des trois grands groupes déjà vu, il est possible de regrouper les éléments en «familles». En général,
ces familles regroupent entre eux des éléments qui ont des propriétés chimiques assez proches. Les familles
sont représentées par les différentes colonnes du tableau périodique.
Éléments représentatifs :
Éléments de transition :
1)
(familles
L'hydrogène
·N'appartient à aucune famille (il forme une famille à lui seul)
·Élément le plus commun de l'Univers (
).
).
·Élément le plus simple (
·N'existe pas à l'état libre sur Terre.
·Combustible des étoiles (
)
·Explosif en présence d'oxygène.
·Le plus léger de tous les éléments.
2)
La famille des gaz inertes
·Inconnus à l'époque de Mendeleïev.
·Chimiquement
·Réactivité chimique
éléments.
aux autres
·On les appelle également
3)
.
La famille des halogènes
·Très grande
·Sont toujours à l'état
nature.
·Forment des
nom :
Page 10 de 12
aux métaux.
dans la
avec les métaux, d'où leur
)
4)
La famille des alcalins
·Métaux
·Très
aux non-métaux et à l'eau (
·Jamais à l'état
)
dans la nature.
très abondant, les autres sont rares.
·
(soude ·Tirent leur nom de l'arabe
cendre de plante), et par extension aux oxydes et
hydroxydes de métaux alcalins.
5)
(p.93L, 95L)
La famille des alcalino-terreux
·Très réactifs avec les
que les
(mais pas autant
)
dans la
·Jamais sous la forme
nature.
très abondant la croûte terrestre
·
(dans des roches).
·Tirent leur nom de
6)
Autres familles chimiques
Ces familles n'ont pas de nom particulier (sauf la famille de l’oxygène, parfois appelée
et peuvent être désignées de l'une ou de l'autre des façons suivantes.
1E
Le nom du premier élément au haut de la colonne (ex . famille de l'oxygène).
2E
Le chiffre romain et la lettre situés au haut de la colonne (ex. famille VI A)
Lecture
Exercices
),
p.40-43
p.55 11-14
Page 11 de 12
7)
Résumé
·Les atomes cherchent à avoir la plus grande stabilité possible.
·Pour être stable, un atome doit avoir une configuration électronique stable, i.e. avec 8 électrons sur sa
dernière couche, ce que possèdent les gaz inertes.
·Les éléments chercheront à ressembler au gaz inerte le plus proche.
Gaz inertes
·Très stables chimiquement.
·Possèdent 8 électrons sur leur dernière couche (sauf l'hélium, qui en a 2).
·Énergie d'ionisation élevée.
Halogènes
·Pour ressembler au gaz inerte le plus proche, ils cherchent à gagner un électron.
·En gagnant un électron, ils forment des ions négatifs.
·Leur électronégativité est très grande.
·Énergie d'ionisation élevée.
Alcalins
·Pour ressembler au gaz inerte le plus proche, ils cherchent à perdre un électron.
·En perdant un électron, ils forment des ions positifs.
·Leur électronégativité est très faible.
·Énergie d'ionisation faible.
Alcalino-terreux
·Pour ressembler au gaz inerte le plus proche, ils tendent à perdre deux électrons.
·En perdant 2 électrons, ils forment des ions positifs.
·Leur électronégativité est très faible.
·Énergie d'ionisation faible.
Métaux
·D'une manière générale, les métaux cherchent à perdre leurs électrons de valence.
·Ils formant des ions positifs.
·Électronégativité faible.
·Énergie d'ionisation plutôt faible.
Non-métaux
·Ils cherchent à compléter leur couche d'électrons de valence.
·Ils forment des ions négatifs.
·Électronégativité forte.
·Énergie d'ionisation plutôt élevée.
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