L`atome et le tableau périodique
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Sciences 10 Hiver 2015 Sophie Pedneault Richard Bernier Module 1 – La chimie Module 2 – La chimie – – – – – L’atome et le tableau périodique Les composés ioniques et moléculaires Les réactions chimiques Les acides et les bases Les réactions chimiques et l’environnement L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – Environ 450 av JC. – Le model d’Empédocle • Ce philosophe propose que la matière est composée de 4 éléments : l’eau, l’air le feu et la terre. Une combinaison de ceuxci compose toute la matière qui nous entoure. – Environ 400 av JC. – Le model de Démocrite • Ce philosophe grec suggère que la matière est composée de petites particules qui ne peuvent plus être divisées appelées atomos (atomes). L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – Dalton: Le modèle de la boule de billard • -Toute matière est composée d’atome trop petit à voir à l’œil nu • -Chaque élément est composé de son propre type d’atome qui a une masse précise. • -Des composés sont produits lorsque des atomes différents se lient ensemble pour créer des molécules. • -Les atomes ne peuvent pas être créés, détruits ou divisés lors d’une réaction chimique. • -Un atome est en forme d’un sphère solide. L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – Thompson: Le modèle du pain aux raisins • La pâte est positive et les raisins sont négatifs; L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – Rutherford: Le modèle atomique nucléaire • Il a découvert qu’il y a un noyau central chargé positivement dans l’atome; • La masse de l’atome est principalement située dans le noyau; • Les électrons se promènent aléatoirement autour du noyau. L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – Niels Bohr: Le modèle atomique de Bohr • Il a raffiné le modèle de Rutherford; • Les électrons se promènent en pairs sur des orbitales fixes d’où le nom de « modèle planétaire de Bohr »; L’atome et le tableau périodique Historique de l’atome – De Broglie, Schrödinger et Heisenberg: Le modèle probabilistique de l’atome • Les électrons possèdent des niveaux d’énergie distincts mais on ne peut déterminer avec précision leur position. • Il est possible de calculer la probabilité de trouver un électron autour du noyau L’atome et le tableau périodique Les participants au cinquième Congrès Solvay en octobre 1927 réuni autour du thème : Electrons et Photons pour discuter de la mécanique quantique. Ce Conseil est sans doute le plus célèbre de tous, réunissant les plus célèbres physiciens de l'époque (sur les 29 participants, 17 obtiendront le prix Nobel) L’atome et le tableau périodique Caractéristiques de l’atome – Le proton • particule chargée positivement située dans le noyau de l’atome; • Représenté par le numéro atomique (Z). • Sa masse atomique est 1 unité de masse atomique • C’est le nombre de p+ qui détermine la nature d’un élément. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques de l’atome – Le neutron • Il ne possède aucune charge mais sa masse est de 1 uma (unité de masse atomique); • Il est situé dans le noyau; • Son rôle est de contribuer à la cohésion du noyau; • La somme du nombre de neutrons et de protons représente la masse atomique. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques de l’atome – L’électron • Possède une charge négative; • Il se retrouve sur des couches électroniques fixes; • Sa masse est négligeable par rapport à celle du proton et du neutron; • Dans un atome neutre (sans charge) il y autant d’électrons que de protons. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques de l’atome – Les isotopes • Un isotope est un élément qui a deux ou plusieurs formes. Chaque forme aura le même nombre de protons, mais une différente masse atomique. Donc, un différent nombre de neutrons. • Ex: C12 atome naturel (6protons et 6 neutrons) C14 isotope (6 protons mais 8 neutrons) . L’atome et le tableau périodique Anatomie d’un atome – La couche périphérique se nomme la couche de valence. Les électrons (é) qui s’y trouvent s’appelle é de valence; – Ces électrons sont particulièrement importants car ce sont eux qui participent aux réactions chimiques (liaisons); Anatomie d’un atome (modèle de Bohr) L’atome et le tableau périodique Anatomie d’un atome – La couche électronique (orbitale) la plus près du noyau peut contenir un maximum de deux é; – La deuxième et la troisième orbitales peuvent contenir un maximum de huit é chacune; – La quatrième orbitale peut contenir un maximum de dix-huit électrons; *Note: Ceci est une simplification de la réalité pour les besoins du cours de Sc-10.. Rendez-vous en chimie pour un raffinement de ce modèle! L’atome et le tableau périodique Anatomie d’un atome – Illustre les atomes suivants en utilisant le modèle de Bohr • Be • C • Ar – Complète la feuille d’exercice « les éléments et le tableau périodique » L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Le tableau périodique tel qu’organisé par Dimitri Ivanovitch Mendeleïv (1834 -1907) permet de reconnaître les caractéristiques générales des éléments en les regroupant par groupe ( familles) et par périodes (rangées) en fonction de leur numéro atomique. • Attention!: Pour identifier un élément il faut regarder son numéro atomique car c’est son nombre de PROTONS qui détermine le type d’élément. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Familles ou groupes: • Représentés par les colonnes du tableau périodique (tp) • Une famille regroupe tous les éléments qui possèdent le même nombre d’électrons de valence; • Les éléments d’une même famille possèdent habituellement de nombreuses caractéristiques communes; L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Les périodes: • Représentés par les rangées du tp • Une période regroupe tous les éléments qui possèdent le même nombre de couches électroniques (orbitales); L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Groupe 1A les métaux alcalins • Éléments possédant un é de valence seulement. • Ils ont une forte tendance à devenir des ions chargé +1 • Éléments très réactifs, on les conserve dans l’huile pour empêcher qu’ils ne réagissent avec l’air. • Ils sont ductiles, brillants malléables. • Le Li, Na et K se retrouvent dans le corps humain et supportent des fonctions métaboliques vitales. – Attention l’hydrogène ne fait pas partie des métaux alcalins L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Groupe IIA les métaux alcalino-terreux • Éléments possédant deux é de valence • Ils ont tendances à donner leurs 2 é de valence et a devenir chargé +2. • Éléments un peu moins réactifs que les alcalins. • Ils sont plus lourd et plus dur. • On ne les retrouve pas sous forme pure dans la nature. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Groupe VIIB les halogènes • Éléments possédant sept é de valence. • Ils ont tendances à accepter/arracher 1 é de valence et à devenir chargé -1. • Éléments sont gazeux, liquide (Br) ou solides. • Ils sont tous fortement électronégatifs. Le Fluor étant l’élément le plus électronégatif du tp. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Groupe VIIIA les gaz rares, nobles ou inertes. • Éléments possédant huit é de valence. • Ils n’ont pas tendance à former des ions car leur couche de valence est complète (2é ou 8é). • Ils réagissent très peu. Lorsqu’on fait passer un courant électrique à l’intérieur d’un tube contenant un gaz rare il s’illumine (néon). • Ils existent tous sous forme monoatomique. • Tous les autres éléments veulent posséder la configuration électronique du gaz rare le plus près. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Les métaux de transition • Ils possèdent 3 ou plus é de valences. • Ils deviennent tous chargé positivement car ils donnent leur é de valence. • Ils existent tous sous forme solide sauf Hg qui est un métal liquide à température ambiante . • Certains peuvent porter plus d’une charge. (Fe peut être chargé +2 ou +3). On dit qu’ils forment des ions polyvalents. (Nomenclature système Stock ou système classique) L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Deux périodes portent un nom spécifique • Lanthanide : ligne située sous le tp débutant par le lanthane La. • Actinide: Ligne située sous le tp débutant par actinide Ac. • Dans ces deux périodes les éléments soit se retrouvent naturellement dans la nature, soit sont synthétisés artificiellement, ils peuvent être radioactifs et portent des noms assez spéciaux. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique – Séparation des métaux et des non-métaux • La séparation est faite par une ligne en escalier qui débute sous B pour descendre entre Al et Si. Ensuite, qui passe sous Si pour descendre entre Ge et As et ainsi de suite. • Tous les éléments situés à gauche de la ligne en escalier sont des métaux et tous les élément se trouvant à droite sont des non-métaux. • La plupart des éléments qui touchent à l’escalier sont considérés comme des métalloïdes car ils possèdent à la fois des caractéristiques des métaux et des non-métaux. L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique L’atome et le tableau périodique Caractéristiques du tableau périodique Les ions Formation des ions – Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons de valence. • Cation: ion formé par un atome neutre qui perd ses électrons de valence. Il devient chargé positivement. • Anion: ion formé lorsque un atome neutre gagne des électrons de valence. Il devient chargé négativement. Tous les ions formés possèdent la configuration électronique du gaz rare le plus près. Pour un atome cette configuration est le nirvana ultime! Les ions Les métaux ont tendances à perdre leurs électrons de valence. Ce faisant ils possèdent alors un surplus de protons et deviennent chargés positivement. Les non-métaux ont tendances à gagner des électrons de valence. Ce faisant ils possèdent alors un surplus d’électrons et deviennent chargés négativement. Règle de l’octet : Un atome neutre perd ou gagne des électrons de valences pour avoir une configuration électronique complète (2é et 8é). Les ions Dessin selon Bohr d’un ion Les ions Équation ionique Ca -- Ca+2 + 2é (les é qui se trouvent à droite de la flèche sont donnés) F + 1é -- F- (les é qui se trouvent à gauche de la flèche sont gagnés) Les ions (nom et formule) Cations (+) métaux Groupe 1 Groupe 2 Anions (-) Non-métaux Groupe 3 Groupe 5 Groupe 6 Groupe 7 Nitrure N-3 Oxyde O-2 Fluorure F- Ion Lithium Li + Ion Béryllium Be+2 Ion Sodium Na + Ion Magnésium Mg+2 Ion Aluminium Al +3 Phosphure P-3 Sulfure S-2 Chlorure Cl- Ion Potassium K+ Ion Calcium Ca+2 Ion Gallium Ga Arséniure As-3 Séléniure Se-2 Bromure Br- +3 Les ions (diagramme de Lewis) On représente seulement les électrons de valence autour du symbole chimique (modèle qui aide à comprendre les liaisons chimiques. Peux-tu compléter le tableau suivant? Les liaisons ioniques Les atomes se lient pour s’échanger des électrons. Les métaux donnent leurs é de valence aux non-métaux qui reçoivent les é de valence. (arrachent) Se faisant, il se crée un cation et un anion qu’on place ensemble pour former un composé ionique (CI). Il existe 3 types de composés ioniques, toujours formés de métaux et de non-métaux donc de cations et d’anions. – Composés ioniques binaires, composés ioniques polyvalents et composés ioniques polyatomiques Les composés ioniques binaires Formés de 1 cation (métal) et de 1 anion Méthodes pour former les composés ioniques: – À l’aide des équations ioniques • Ex: Mg Mg+2 + 2é F + 1é F• Ex: Mg Mg+2 + 2é 2x ( F + 1é F- ) Mg + 2F MgF2 Fluorure de magnésium Il faut que le total d’é perdus soit égal au total des é gagnés Il faut que la somme des charges dans un ci soit nulle (0) Les composés ioniques binaires Un peu de pratique… forme des composés de: – – – – – Lithium et soufre Aluminium et azote Calcium et brome Oxygène et potassium Néon et bérylium Les composés ioniques binaires Formés de 1 cation et de 1 anion (2 = binaire) Méthodes pour former les composés ioniques: – À l’aide des diagrammes de Lewis Mg F F MgF2 fluorure de magnésium Un peu de pratique: Be et O, Na et N, Cl et Al, K et Ar, P et Mg . Les composés ioniques binaires Formés de 1 cation et de 1 anion (2 = binaire) Méthodes pour former les composés ioniques: – À l’aide du « chassé-croisé » • Mg +2 F- • MgF2 Fluorure de magnésium • Indice: Nombre placé après et légèrement sous un symbole chimique qui indique dans quelle proportion se combine chacun des éléments d’un composé. • Dans cette méthode la charge des ions deviennent les indices (on ne doit pas écrire les signes ni les indices 1) Les composés ioniques polyvalents Formés de 1 cation (métal de transition) et de 1 anion Dans ce cas le cation, qui est un métal de transition peut porter des charges différentes selon les situations. – Ex: Le fer Fe+2 ou Fe +3 (voir feuille des ions polyvalents) Les composés ioniques polyvalents Pour ces composés il existe deux systèmes de nomenclature… à apprendre! – Classique: Si le cation porte la plus petite charge qu’il peut adopter, on ajoute « eux » à la fin du nom de l’élément. • Ex: FeO se nomme: Oxyde ferreux – Si le cation porte la plus grande charge qu’il peut adopter, on ajoute « ique » à la fin du nom de l’élément. • Ex: Fe2O3 se nomme: Oxyde ferrique Les composés ioniques polyvalents Système stock: On met entre parenthèse après le nom du ci la charge portée par l’ion polyvalent en chiffre romain. • • • • Ex: FeO se nomme: Oxyde fer (II) Ex: Fe2O3 se nomme: Oxyde fer (III) Ex: PbCl2 se nomme: chlorure de plomb (II) Ex: PbO2 se nomme: oxyde de plomb (IV) – Un peu de pratique: Étain (IV) avec Br, Cr(III) avec Azote, Vanadium (V) avec Se, Fer (II) avec Arsenic. Les composés ioniques polyatomiques Pour ces composés les anions sont des composés formé de plusieurs éléments ensembles portant une charge (poly veut dire plusieurs atomes). Vous avez un tableau vous indiquant le nom et la charge de chacun. – Lorsqu’on les nomme on prend les noms du tableau qui vous est fourni. – Pour écrire la formule chimique on doit indiquer par une parenthèse le nombre d’ions polyatomiques requis afin que la charge ionique totale soit zéro. (N.B. si on a besoin d’un seul ion polyatomique on omet les parenthèses) • Ex: Mg(NO3)2 se nomme: nitrate de magnésium • Ex: NaHCO3 se nomme: hydrogénocarbonate de sodium Les composés ioniques polyatomiques Un peu de pratique – – – – – – – Cyanure d’Aluminium Carbonate de calcium Peroxyde d’hydrogène Dichromate ferrique Sulfite d’antimoine (III) Pb(IO3)4 Al5(P3O10)3 Les acides et les bases Le volcan Poas (Costa Rica) culmine à 2708 mètres. Les eaux du lac, qui occupent le fond de son immense cratère principal, sont très acides et sulfureuses. © CNRS Photothèque Les acides et les bases Quels produits utilisons-nous dans la vie courante et qui est un acide ou une base ? Quelles sont les caractéristiques des acides et des bases ? Qu’arrive-t-il lorsqu’on mélange un acide et une base ? Qu’est-ce qu’une échelle de pH ? Définitions Acide: composé aigre au goût qui produit des ions hydrogène, H+ (aq) lorsqu’il est dissous dans l’eau Acide fort : acide qui se décompose, s’ionise complètement lorsqu’il est mélangé avec de l’eau (ex: acide sulfurique, H2SO4, fort % d’ionisation) Acide faible: acide qui lorsque mélangé dans l’eau s’ionise seulement partiellement (ex: acide acétique, CH3COOH, faible % d’ionisation) Définitions (suite) Base: composé au goût amer, ayant une texture glissante et qui produit des ions hydroxyde, OH(aq) lorsqu’il est dissous dans l’eau. Base forte: Base qui s’ionise complètement dans l’eau (ex: hydroxyde de sodium, NaOH (aq), fort % d’ionisation) Base Faible: Base qui s’ionise partiellement lorsque dissous dans l’eau (ex: ammoniaque, NH3 (aq) faible % d’ionisation) Équation d’ionisation Ionisation: lorsqu’un composé ionique est dissous dans l’eau il se dissocie en ses ions constitutifs. HCl (aq) --> H+(aq) + Cl-(aq) lorsque mis dans l’eau (acide) NaOH (s) --> Na+(aq) + OH-(aq) lorsque mis dans l’eau (base) Propriétés des acides Acides Bases Goût sur Goût amer Les AF brulent la peau Les BF brûlent la peau et une texture glissante Le papier tournesol bleu devient rouge. La phénolphtaléine est incolore (blanche) Le papier tournesol rouge de vient bleu. La phénolphtaléine est rose. Ils réagissent avec les métaux réactifs et forment de l’hydrogène (g) Ils réagissent avec certains métaux(Al) et forment de l’hydrogène (g) Lorsqu’ils réagissent avec des carbonates ils produisent du CO2 (g) Aucune réaction Pas de réaction avec NH4Cl Produisent du NH3 (forte odeur) s’ils sont mis avec NH4Cl Des acides se forment à l’aide d’oxydes non-métalliques Des bases se forment à partir d’oxydes métalliques. Échelle de pH pH = -log concentration en H+ Présence d’hydrogène 0 à 6.9 acide 7 neutre 7.1 à 14 base Échelle de pH et indicateur http://www.ec.gc.ca/pluiesacides/kids.html Papier indicateur Les composés moléculaires Ces composés sont généralement formés de nonmétaux seulement. – Ces composés forment des liaisons covalentes. Il y a donc partage des électrons entre les atomes. – Puisqu’on ne peut se fier aux charges des ions pour savoir combien d’atomes forment les composés on doit le spécifier à l’aide des préfixes suivants: Les composés moléculaires Les composés moléculaires Quelques exemples: NO monoxyde d’azote, on omet toujours le deuxième mono NO2 dioxyde d’azote N2O2 dioxyde de diazote N2O3 trioxyde de diazote H2O monoxyde de dihydrogène (eau) CO monoxyde de carbone CO2 dioxyde de carbone P10O5 pentoxyde de décaphosphore Les composés moléculaires À toi de jouer, nomme des composés moléculaires suivants ou donne la formule chimique: – – – – – – Monoxyde de diazote Tétraoxyde de diazote Dioxyde de soufre SO3 CCl4 P4O10 Les composés moléculaires Pour écrire la formule des composés moléculaires on doit faire attention à l’ordre des symboles: – Généralement on place en premier l’élément le plus à gauche dans la même période du tp ou le plus bas… – L’hydrogène et l’oxygène font parfois exception à cette règle… Les composés moléculaires Les composés moléculaires – Certains éléments ne sont jamais seul. Ils se promènent toujours en groupe. – H2, O2, F2 Cl2, Br2, I2, N2, P4 et S8. – Lorsqu’on les retrouve sous la forme d’élément ils sont toujours en paquet de 2 ou 4 ou 8. – Pensez au Clown HOFBrINCl Comparaison entre CI et CM Caractéristiques des composés ioniques Caractéristiques des composés moléculaires Liaison ionique = échange des électrons de valences Liaison covalente = partage des électrons de valences Forme des cristaux car l’attraction est forte entre les ions de charges opposés. Les forces d’attractions dans les liaisons covalentes sont faibles. Ils ont un point de fusion relativement élevés Les composés moléculaires ont un point de fusion relativement faible. Ils conduisent l’électricité lorsqu’ils sont Les CM ne conduisent pas l’électricité en fusion ou dissous dans l’eau (CI sous n’importe quel état ou même forment des électrolytes) dissous dans l’eau. À l’état solide, les CI ne conduisent pas l’électricité Les équations chimiques – Une équation chimique est une phrase chimique qui indique dans quelle proportion des réactifs se combinent pour former des produits suite à une réaction chimique. – La loi de la conservation de la masse de M. Lavoisier est toujours respectée: dans une réaction chimique la masse totale des réactifs est toujours égale à masse totale des produits. – Réactifs: substances qui subissent un changement chimique (à gauche dans une équation). – Produits: Substances qui résultent d’un changement chimique (à droite dans une équation). Écrire des équations chimiques Équation nominative: Équation chimique balancée Équation chimique: H2 + O2 - H2O Équation chimique balancée Équation chimique balancée Coefficient : nombre qu’on ajoute devant un composé et qui indique la proportion dans laquelle la réaction chimique à lieu. (conservation de la masse Lavoisier) Chapitre 6: les réactions chimiques Chapitre 6: les réactions chimiques Partie A L’énergie dans les réactions chimiques Chapitre 6: les réactions chimiques Réactions exothermiques Dans ces réactions il y a un dégagement, une libération d’énergie. L’énergie des réactifs est supérieure à celle des produits. Ex: Mg + 2HCl MgCl2 + H2 + énergie Chapitre 6: les réactions chimiques Réactions endothermiques Dans ces réactions il y a absorption d’énergie. L’énergie des réactifs est inférieure à celle des produits. Ex: 2NH4NO3 + H2O + énergie (NH4)2O + 2HNO3 Chapitre 6: les réactions chimiques Loi de la conservation de l’énergie L’énergie ne peut être produite ni détruite, on peut la transformer mais la quantité totale d’énergie d’un système demeure constante. L’énergie peut exister sous plusieurs formes: Thermique (chaleurmouvement des particules) Sonore (ondes) Chimique (liaisons produit par les plantes utilisé par les animaux) Déformation (élastique) Potentielle (gravitationnelle) Cinétique (de mouvement) Chapitre 6: les réactions chimiques Loi de la conservation de l’énergie Donc selon cette loi la somme de tous les changements énergétiques des réactifs doit être égale à la somme des changements énergétiques des produits. A + B + Énergie1 C + D + Énergie2 Énergie1 + Énergie2 = 0 Donc il n’y a pas eu de changement de quantité d’énergie Chapitre 6: les réactions chimiques Partie B Les catégories de réactions chimiques Chapitre 6: les réactions chimiques Les réactions de synthèse Deux ou plusieurs réactifs se combinent pour former un nouveau produit (mariage) A + B AB Chapitre 6: les réactions chimiques Les réactions de déplacement simple Lorsque un élément prend la place (déplace) un autre élément d’un composé (couples infidèles) AB + A + C BC A + AC + BC B Chapitre 6: les réactions chimiques Les réactions de déplacement double Lorsque les cations de deux différents composés échangent leur place et forment deux nouveaux composés (échange de couples ) AB + CD AD + CB Chapitre 6: les réactions chimiques Les réactions de combustion En présence d’oxygène un composé organique (molécule contenant du carbone et de l’hydrogène) peut subir une combustion complète. C3H8 + O2 CO2 + H2O *** S’il n’y a pas assez d’oxygène pour tout brûler alors la combustion est incomplète et s’ajoutent deux produits: le monoxyde de carbone (CO) et la suie (C) Les composés carbonés Hydrocarbure Sources: pétrole, gaz naturel (provient de matière organique enfouie soumise à un t et une pression énorme)
