Physique – Chimie Seconde Notions fondamentales Chimie Rédaction : Guy Le Parc

Physique – Chimie Seconde Notions fondamentales Chimie Rédaction : Guy Le Parc Philippe Briand Coordination : Jean Bousquet Pierre Rageul Jean-Michel Le Laouénan Ce cours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à ce cours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit respectifs. Tous ces éléments font l’objet d’une protection par les dispositions du code français de la propriété intellectuelle ainsi que par les conventions internationales en vigueur. Ces contenus ne peuvent être utilisés qu’à des fins strictement personnelles. Toute reproduction, utilisation collective à quelque titre que ce soit, tout usage commercial, ou toute mise à disposition de tiers d’un cours ou d’une œuvre intégrée à ceux-ci sont strictement interdits. ©Cned-2010 © Cned – Académie en ligne 3 Chimie – SP20 Chimie Chapitre 1 Le modèle de l’atome Chapitre 2 Les éléments chimiques Chapitre 3 Les molécules Chapitre 4 Classification périodique des éléments Chapitre 5 La mole Chapitre 6 Les solutions aqueuses Chapitre 7 Formulation d’un médicament Chapitre 8 Obtention d’une espèce chimique naturelle Chapitre 9 Synthèse d’espèces chimiques Chapitre 10 La réaction chimique Sommaire © Cned – Académie en ligne 5 Chapitre 1 – SP20 Chapitre 1 Chimie  Connaître la constitution de l’atome (structure, particules constitutives).  Connaître et utiliser le symbole Z A X  Donner la structure d’un atome ou d’un ion monoatomique à partir de son numéro atomique Z et de son nombre de nucléons A.  Savoir que l’atome est électriquement neutre. 1. Structure de l’atome Dans l’Antiquité, l’atome a été considéré comme la particule élémentaire de la matière (Démocrite). Cette théorie était seulement due à des intuitions et non à des théories ou observations expérimentales. Il a fallu attendre la fin du XIXe siècle pour que cette théorie soit confirmée par des expériences qui permirent de mettre en évidence l’existence de particules constitutives de l’atome : les électrons.  L’expérience de Rutherford Les philosophes grecs de l’Antiquité ont eu, les premiers, l’idée de l’atome qu’ils croyaient insécables (atomos : non divisibles). L’expérience du physicien anglais Ernest Rutherford réalisée en 1911, permis d’al- ler plus loin dans la connaissance de la structure de l’atome. L’expérience se produit à l’aide d’une enveloppe de verre dans laquelle règne un vide poussé. Objectifs Particules α Feuille d'or Plomb protecteur Source radioactive Rayonnement α Écran fluorescent ou pellicule sensible Chapitre 1 Le modèle de l’atome © Cned – Académie en ligne 6 Chapitre 1 – SP20 Chapitre 1 Chimie Une source radioactive émet des noyaux d’hélium (particules α chargées posi- tivement) qui sont dirigés vers une mince feuille d’or d’épaisseur de l’ordre du micromètre (10-6 m). On observe les résultats de l’expérience sur un écran fluorescent (type écran d’os- cilloscope) permettant de visualiser les différents impacts de particules α après leur éventuelle traversée de la feuille d’or. Rutherford fit les observations suivantes : 1. Au centre de l’écran, sur la trajectoire initiale du faisceau de particules α, se trouve une tache lumineuse, brillante et très intense. 2. Présence d’un petit nombre de fluorescences en dehors de la tache centrale, en divers endroits de l’écran.  Pourquoi cette expérience ne permet-elle pas de considérer l’atome comme  une sphère pleine ?  La majorité des particules  α sont – elles déviées par les atomes de la feuille d’or ?  Quelle déduction peut-on faire quant à la structure de la feuille d’or ?   Quel est l’intérêt d’utiliser une  mince feuille d’or ? Le Physicien anglais Ernest Rutherford a montré en 1911, par l’expérience, que : La matière étant électriquement neutre, il existe donc une ou plusieurs charges électriques élémentaires négatives, appelées électrons. On peut modéliser l’atome et son noyau par des sphères.Un modèle est une représentation destinée à se rapprocher le plus possible de la réalité de façon à tenir compte des résultats expérimentaux. Le rayon atomique est de l’ordre de 10-10m soit 100 pm (1 picomètre = 1.10- 12m), tandis que le rayon du noyau est de l’ordre de 10-15m soit 1 fm (1 femto- mètre = 1.10-15 m). Le rapport ratome / rnoyau = 105 donc on peut considérer le noyau environ 100000 fois plus petit que l’atome. y Activité 1 • L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons en mouvement autour du noyau. • L’atome est électriquement neutre. L’atome a une structure lacunaire, constitué par un noyau très petit, entouré d’un espace important et presque vide occupé par le(s) électron(s), le noyau étant chargé d’électricité positive. © Cned – Académie en ligne 7 Chapitre 1 – SP20 Chapitre 1 Chimie La valeur du rayon de l’atome est déterminée à partir du volume maximal dans lequel les électrons de l’atome se déplacent au cours de leur mouvement désor- donné. A titre de comparaison, si le noyau avait les dimensions d’une noix (1cm de rayon environ), alors l’atome serait une sphère de 105cm de rayon, soit : 103m, c’est-à-dire 1 km. On peut imaginer alors une noix dans une sphère de 1 km de rayon et mieux comprendre l’expression : « l’atome est presque vide ». 2. Constituants de l’atome 2.1. L’électron L’électron (symbolisé e-) (découvert en 1899) porte une charge élémentaire négative : la charge élémentaire est la plus petite charge électrique que l’on connaisse ; elle s’exprime en coulomb (C) ; dans le cas de la charge négative, sa valeur est : -e = -1,6.10-19C (signe - pour indiquer : électricité négative). Remarque : la valeur est exprimée avec 2 chiffres significatifs. La masse de l’électron a été déterminée expérimentalement : me- = 9,1.10-31 kg. 2.2. Les particules du noyau Le noyau possède plusieurs particules. Le noyau est constitué de nucléons (comme « nucléaire » qui vient de « noyau »). IL existe deux types de nucléons : Proton (découvert par Rutherford en 1919) Chargé +e=+1,6.10-19C mproton = 1,673.10-27 kg Neutron (découvert par Chadwick en 1932) non chargé (neutre) mneutron = 1,675.10-27 kg Un proton porte une charge élémentaire positive : +e = =+1,6.10-19C. Que peut-on dire de la masse des protons et des neutrons ? Calculer le rapport entre la masse d’un nucléon et celle d’un électron. Conclusion ? Que peut-on dire alors de la répartition de masse dans l’atome ? Activité 2 Activité 3 Activité 4 © Cned – Académie en ligne 8 Chapitre 1 – SP20 A quoi est due la charge électrique du noyau ? Comparer la charge élémentaire positive et la charge élémentaire négative. Quelle est la relation entre le nombre de protons et le nombre d’élec- trons d’un atome ? Justifier votre réponse. On peut déduire de ce qui précède que : 3. Représentation symbolique d’un atome Le numéro atomique Z (ou nombre de charge) d’un noyau est égal au nom- bre de protons qu’il contient. A est le nombre de nucléons d’un noyau. A et Z sont des nombres entiers. En appelant N le nombre de neutrons, trouver une relation entre A, Z et N. Pour représenter le noyau d’un atome, on utilise le symbole de l’élément corres- pondant et on indique les nombres Z et A de la manière suivante : Z A X Ainsi, à partir du symbole : 6 12C On peut déduire la structure complète de l’atome de carbone : Z = 6 donc l’atome possède 6 protons et par conséquent 6 électrons (électroneu- tralité de l’atome). A = 12 donc l’atome possède 12 nucléons avec la répartition 6 protons (calculé plus haut) et donc : N = A - Z = 6 neutrons Déterminer la structure du fluor 9 19F Un atome contient autant de protons que d’électrons : il est électriquement neutre globalement. C’est la raison pour laquelle le numéro atomique Z s’appelle aussi le nombre de charges. Activité 5 Activité 6 • La masse d’un neutron est sensiblement égale à celle d’un proton. • La quasi totalité de la masse de l’atome est concentrée en son noyau (plus de 99,97 %).. Activité 7 Activité 8 Chapitre 1 Chimie © Cned – Académie en ligne 9 Chapitre 1 – SP20 Chapitre 1 Chimie 4. Masse d’un atome La masse d’un atome est égale à la somme des masses des particules qui le constituent, donc la masse des électrons, des protons et des neutrons. Ce qui donne : matome = Z.me- + Z.mp + (A-Z).mn Or l’Activité 3 nous a permis de déduire que la masse des électrons est négligea- 3 ble devant celle des nucléons puis que la quasi-totalité de la masse de l’atome est concentrée en son noyau. On définit alors la masse approchée de l’atome qui est égale à la masse de son noyau, soit : m ≈ Z.mp + (A-Z).mn On peut même écrire : m ≈ A.mp = A.mn, si on exprime les masses des nucléons avec 3 chiffres significatifs car, dans ce cas, mn ≈ mp. © Cned – Académie en ligne 10 Chapitre 1 – SP20 L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons en mouvement autour du noyau. Il est électriquement neutre. L’atome a une structure lacunaire, constitué par un noyau très petit, entouré d’un espace important et uploads/Philosophie/ notions-fondamentales-chimie.pdf

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