PARTIE_4

19/04/2017 Cours de chimie et didactique B1_S1410-Chapitre 4 Page 1
Cours de Chimie et didactique B1_S1410 – Nathalie Matthys
– 1ère Sciences – 31/03/2016
PARTIE 4. LES MODÈLES DE LA MATIÈRE
PARTIE 4. LES MODÈLES DE LA MATIÈRE 1
1 INTRODUCTION 2
2 CONCEPT D’ATOME ET D’ELEMENT 3
3 DE LA CHIMIE À LA PRÉHISTOIRE ? 4
4 L’ANTIQUITE : EMERGENCE DU
CONCEPT D’ELEMENT 5
4.1 CONCEPT D’ÉLÉMENT POUR LES PHILOSOPHES
GRECS DE L’ANTIQUITÉ 5
4.2 CONCEPT D’ATOME POUR LES ATOMISTES
GRECS DE L’ANTIQUITE 8
5 L’ALCHIMIE : CADEAU ARABO-EGYPTIEN
OFFERT A L’EUROPE 9
6 RENAISSANCE ET RÉVOLUTION
CHIMIQUE 11
6.1 CHANGEMENT DE DEMARCHE ET EMERGENCE
DES CORPUSCULES 11
6.2 LA RÉVOLUTION CHIMIQUE 13
6.3 DE LA RÉVOLUTION CHIMIQUE À LA
RENAISSANCE DE L’ATOME 14
7 LA CONCEPTION CLASSIQUE DE LA
STRUCTURE ATOMIQUE 16
7.1 L’ELECTRON : LES EXPERIENCES DE THOMSON
ET MILLIKAN 20
7.1.1 CONSTRUCTION DU MODELE DE THOMSON
20
7.1.2 LA CHARGE DE L ‘ELECTRON : L’EXPERIENCE
DE LA GOUTTELETTE D’HUILE DE MILLIKAN 22
7.2 LES MODELES ATOMIQUES DE THOMSON ET
RUTHERFORD 24
7.2.1 LE MODELE ATOMIQUE DE THOMSON : PAIN
AUX RAISINS OU « PLUM PUDDING » 24
7.2.1 CONSTRUCTION DU MODELE DE
RUTHERFORD 25
8 LA LUMIERE ET LA THEORIE
QUANTIQUE 28
8.1 LA NATURE ONDULATOIRE DE LA LUMIERE 28
8.2. BOHR : LE MODELE PLANETAIRE DE L’ATOME
D’HYDROGENE 30
9. LA CONCEPTION QUANTIQUE DE LA
STRUCTURE DE L’ATOME 32
9.2. UN MODELE DE L’ATOME ADAPTE AU
SECONDAIRE 33
10 MODELE DES ORBITALES 34
10.1 NOMBRES QUANTIQUES 34
10.2 LES ORBITALES ATOMIQUES (OA) 35
10.3 FORME DES OA 36
10.4 ENERGIE DES ORBITALES 37
10.6 REMPLISSAGE DES OA 38
11 STRUCTURE ELECTRONIQUE ET
REACTIVITE CHIMIQUE 40
11.1 MODELE DE BOHR ET CLASSIFICATION
PERIODIQUE 40
11.2 RAYON ATOMIQUE 42
11.3 LE RAYON IONIQUE 44
11.4 L’ENERGIE D’IONISATION 46
11.5 EVOLUTION DE L’ELECTRONEGATIVITE AU
SEIN D’UNE FAMILLE 47
11.6 CONCLUSION 48
8. NOYAU ATOMIQUE ET REACTIVITE
ATOMIQUE 49
9. EXERCICES SUR LA STRUCTURE
ATOMIQUE 53
10. EXERCICES SUR LES CONFIGURATIONS
ELECTRONIQUES 57
11. A SAUVEGARDER 58

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1 Introduction
L’UAA1 « Constitution
et classification de la matière » en
3e année propose de travailler les
compétences ci-contre:
Cette unité d’apprentissage commence par un changement d’échelle au cours duquel l’élève passe du
niveau macroscopique (étude des mélanges, des séparations, des solutions, de la concentration) au
niveau microscopique (composition des molécules, formule moléculaire).
Ensuite, le programme propose d’étudier le modèle atomique pour, enfin, le mettre en lien avec la
classification périodique.

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2 Concept d’atome et d’élément
Le monde qui nous entoure, que nous regardons, sur lequel nous agissons nous semble à la fois très
familier et très complexe dès lors qu’on essaye d’en imaginer la structure intime. Pourtant le simple
fait d’analyser les phénomènes d’un point de vue microscopique, de comprendre la nature même de
la matière permet de mieux appréhender les transformations des corps et leurs comportements. De
plus, comment résister à l’envie de trouver l’Ordre, le Principe qui sous-tend un tel édifice ?
Ce fut l'effort, dès le 6e siècle avant notre ère, des premiers philosophes grecs qui vont rechercher les
principes des choses. Le mot "principe", en latin principum, désigne ce qui est au début, ce qui est
premier.
Cette recherche de la simplicité va prendre deux directions:
 la recherche de la simplicité qualitative: les éléments;
 la recherche de la simplicité quantitative: les atomes.
La recherche de la simplicité qualitative a été en partie étudiée lors du chapitre 1 sur les mélanges et
corps purs puisque ce chapitre nous à amené à découvrir les différents corps purs simples, composés
d’un seul élément chimique. Lors du chapitre 3, nous avons abordé la chimie du point de vue
quantitatif à travers les lois des proportions définies, des proportions constantes et de la conservation
de la matière ; il s’agit de la recherche de la simplicité quantitative : les atomes.
Les concepts d’élément et d’atome sont bien souvent confus, retourner dans le passé est une façon de
mieux appréhender cette confusion, de comprendre comment se sont construits ces concepts et de les
clarifier.
Par ailleurs, cette approche historique trouve sont fondement dans le programme ; citons-en, par
exemple, les capacités indispensables pour la pratique scientifique:
« Evaluer la portée et les limites des modèles et des principes »
« comprendre que les connaissances actuelles en sciences ont une histoire »
« Etablir un lien entre les développements des sciences et des technologies »
1
1
Programme HGT, Sciences générale, 2e degré D2-HGT-SCG-D/2014/7362/3/22 p 9

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3 De la chimie à la préhistoire ?
Faisait-on de la chimie à la préhistoire ? Les témoignages archéologiques montrent que l'homme
utilisaient des substances qu'il trouvait facilement dans la nature, développant ainsi des connaissances
dans les domaines suivants :
Le feu (- 1,5 Ma) : Il était utilisé comme source de lumière et de chaleur, comme moyen de
défense contre les prédateurs, comme source d'énergie puisqu'il permettait la cuisson des
aliments, de l'argile pour la poterie...
La métallurgie :
Le cuivre, objet du commerce, était une source de richesse.
Le bronze (90 % de cuivre, 10 % d'étain), confection d'armes, pendant l'Age du Bronze, il y a
5 000 ans.
Le fer, pendant l'Age du Fer, 2 500 ans avant JC, plus grande dureté pour les armes que le
bronze.
L'acier (alliage de fer et carbone), encore plus résistant et plus solide que le fer.
Le laiton (alliage de cuivre et zinc) servait pour la confection de pièces de monnaie romaine,
1 000 ans avant JC.
L'argent et l'or, déjà considérés comme des métaux précieux il y a 7 000 ans, servaient pour
la construction de bâtiments (monuments, pyramides, temples...), pour
La teinturerie :
Colorants végétaux : garance ( rouge ), gaude ( jaune ), indigo ( bleu ), pastel ( bleu )...
Teintures animales : le pourpre, extrait du murex (coquillage ) était utilisé comme encre.
Teintures minérales : malachite, gypse, potasse, salpêtre, soufre..., entraient entre autre dans
la composition des produits de beauté.
La fermentation : Fabrication de la bière en Egypte.
Préparation de certains médicaments.
Il apparaît que ces pratiques sont en lien avec la transformation de la matière, en quelque sorte, les
hommes faisaient de la chimie sans le savoir mais en étant déjà bien efficaces dans l’apprivoisement
des propriétés de la matière.

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4 L’antiquité : émergence du concept d’élément
Concept d’élément pour les philosophes grecs de l’Antiquité
Les premiers d'éléments
Les anciens philosophes grecs ont d'abord essayé de réduire tous les phénomènes à un seul élément:
 Thalès: l'eau;
 Anaximène: l'air;
 Héraclite: le feu.
 Aristote (4e siècle av. J.C.)
va les rassembler tous dans
un système à quatre
éléments, que l'on
enseignera dans les
universités jusqu'à
Lavoisier.
Observons que chaque élément a
une qualité en commun avec
l'élément qui le suit. Ils peuvent donc se transformer l'un en l'autre,
en remplaçant une qualité par la qualité contraire.
On peut expliquer ainsi beaucoup de phénomènes physico-
chimiques: la fusion d'un métal; la combustion; l'évaporation; et, en
fait, l'univers entier: les quatre éléments ont pour Aristote un lieu
naturel: le plus lourd au centre, le plus léger à la périphérie. Donc, de
bas en haut: terre, eau, air, feu. C'est pourquoi on a cru jusqu'au 16e
siècle que la terre était au centre du monde et le soleil à la périphérie.
La suite de l'histoire montre comment le modèle des quatre éléments
a subi des retouches pour tenir compte de nouveaux faits, c'est-à-dire
d'expériences de laboratoire. Depuis le 12e siècle, on distillait du vin
et on obtenait une eau qui brûle,
l'alcool, que l'on ne savait où caser
dans les quatre éléments; d'où son
nom de cinquième élément ou
quinte-essence. C'est d'ailleurs
depuis lors que tous les extraits
produits par distillation s'appellent,
chez les droguistes, des essences, de rose, de jasmin, d'amande ... ou de pétrole, c'est-à-dire l'essence
tout court.
Figure 1: Les 4 éléments
Figure 2: Illustration des quatre
éléments dans un livre de chimie du
16e siècle. Chaque élément est
symbolisé par ses habitants :, l'eau par
un monstre marin, la terre par un ours,
l'air par un oiseau, le feu par un ange