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P our obtenir les magnifiques couleurs des feux d’arti- fice, les artificiers u

P our obtenir les magnifiques couleurs des feux d’arti- fice, les artificiers utilisent différents éléments: le potas - sium pour le violet, le baryum pour le vert, le sodium pour le jaune, le strontium pour le rouge, etc. Chaque élément possède en effet des propriétés caractéristiques qui lui sont propres, dont celle d’émettre une lumière d’une couleur particulière lorsqu’il brûle. Pour comprendre ces propriétés et les exploiter de façon responsable, il faut examiner l’atome. À quoi ressemblent les atomes? Com - ment les chercheurs étudient-ils l’atome? Qu’est-ce que le tableau périodique peut nous apprendre sur l’organisa- tion des éléments? En quoi l’étude des atomes peut-elle nous aider à relever les défis environnementaux? Autant de questions auxquelles nous tenterons de répondre au cours de ce chapitre. vers 600 Invention de la poudre à canon 1661 Définition moderne des éléments 1854 Invention du tube de Geissler, ancêtre des néons et des tubes à rayons cathodiques 2008 Mise en service du Large Hadron Collider, le plus gros accélérateur de particules au monde, afin d’étudier la structure des atomes 1869 Découverte des rayons cathodiques 1897 1911 Mise en évidence du noyau de l’atome Découverte de l’électron et mesure de sa masse 1919 Mise en évidence du proton 1925 Transmission des premières images télévisées noir et blanc 1932 1943 Invention de la télévision couleur Mise en évidence du neutron 1981 Invention du microscope à effet tunnel, qui permet de «voir» les atomes 1991 Mise au point de nanotubes constitués d’atomes de carbone L’atome et les éléments 1 SOMMAIRE 1. Qu’est-ce que l ’atome ? .. 6 1.1 Le modèle atomique de Dalton .................................... 8 1.2 Le modèle atomique de Thomson ............................... 8 L’électron ........................................... 10 1.3 Le modèle atomique de Rutherford ........................... 11 Le noyau atomique et le proton ................................. 11 1.4 Le modèle atomique de Rutherford-Bohr....................... 13 1.5 Le modèle atomique simplifié........................................ 15 Le neutron.......................................... 16 2. La classification périodique des éléments................................. 17 2.1 Les métaux, les non-métaux et les métalloïdes.................... 20 2.2 Les familles du tableau périodique .................................. 21 2.3 Les périodes du tableau périodique .................................. 22 La périodicité des propriétés .... 23 2.4 Le numéro atomique..................... 24 2.5 La masse atomique relative ..... 24 Le nombre de masse..................... 25 2.6 Les isotopes...................................... 26 3. La représentation des atomes............................. 26 3.1 La notation de Lewis ................... 27 3.2 La représentation de l’atome selon le modèle atomique de Rutherford-Bohr................ 27 3.3 La représentation de l’atome selon le modèle atomique simplifié........................................ 28 3.4 Le modèle atomique «boules et bâtonnets» ........... 29 4. La notion de mole ................... 30 4.1 La masse molaire ........................... 30 4.2 Le nombre d’Avogadro.............. 31 L ’ u n i v e r s m a t é r i e l 5 6 1 Qu’est-ce que l’atome ? ST STE SE 1800 1810 1820 1830 1860 1870 1880 1890 1900 1897 Modèle atomique de Thomson On peut comparer le modèle atomique de Thomson à un muffin aux raisins, c’est-à-dire à une certaine quantité de pâte (substance chargée positivement), parsemée de raisins (particules négatives, soit les électrons). 1808 Modèle atomique de Dalton On peut comparer le modèle atomique de Dalton à des billes solides et indivisibles de différentes masses. CONCEPT DÉJÀ VU Atome Il y a plusieurs milliers d’années qu’on s’interroge sur la nature de la matière. À l’époque de la Grèce antique, différentes idées circulaient à ce sujet. Une de ces idées, défendue par Aristote (384–322 av. notre ère), stipulait qu’il serait possible de diviser la matière à l’infini. Une autre, soutenue par Démocrite (460–370 av. notre ère), affirmait au contraire que la matière était cons tituée de particules très petites et indivisibles, comme les grains de sable sur une plage. Démocrite donna à ces parti - cules le nom d’« atomes ». Cependant, ces deux théories relevaient de la philosophie et non de la science, car il n’existait à l’époque aucun moyen de les vérifier expérimentalement. Jusqu’au 19e siècle, ce fut la théorie d’Aristote qui reçut la faveur populaire. Nous savons aujourd’hui que c’est Démocrite qui avait raison et que l’atome est l’unité de base de la matière. Un peu comme les blocs d’un jeu de cons - truction, les atomes s’agencent entre eux pour former toutes les substances qui nous entourent. «Atome» provient du grec atomos, qui signifie «indi- visible». C H A P I T R E 1 1840 1850 1911 Modèle atomique de Rutherford Dans le modèle atomique de Rutherford, le noyau, petit et massif, comprend toute la charge positive de l’atome, tandis que les électrons, légers et négatifs, se répar - tissent au hasard dans un très grand espace entourant le noyau. 1913 Modèle atomique de Rutherford-Bohr Le modèle atomique de Rutherford-Bohr comprend un noyau très petit, autour duquel les électrons évoluent selon des orbites imbriquées l’une dans l’autre. 7 L’atome et les éléments Un ATOME est la plus petite particule de matière. Elle ne peut pas être divisée chimiquement. Un atome est très petit. Petit à quel point ? Voici quelques comparaisons pour s’en faire une idée: une feuille de papier a une épaisseur d’environ un million d’atomes; une goutte d’eau peut contenir 10 000 milliards de milliards d’atomes; le diamètre du point imprimé à la fin de cette phrase est d’au moins 50 millions de millions d’atomes. Comme l’atome est trop petit pour qu’on puisse l’examiner directement, les scientifiques ont imaginé divers modèles pour le représenter. Ces modèles ont été modifiés au fil du temps et ils continuent encore de l’être de nos jours afin de refléter les résultats des plus récentes découvertes. La figure 1.1 retrace les grandes lignes de l’évolution du modèle atomique dans le temps. Au cours des pages qui suivent, nous verrons plus en détail comment nous sommes parvenus à ces différentes conceptions. Les grandes étapes de l’évolution du modèle atomique. 1.1 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 APRÈS 1932 Modèle atomique simplifié Les travaux de Chadwick, en 1932, ont permis d’ajouter le neutron au modèle atomique de Rutherford- Bohr. La seconde moitié du 19e siècle et le début du 20e siècle constituent une période d’effervescence sans précédent dans le domaine scientifique. Coup sur coup, plusieurs découvertes donnent l’occa- sion aux chercheurs de faire progresser consi dé - rablement notre compréhension de la matière et, en parti culier, de l’atome. C’est ainsi que la mise au point de nouvelles technologies, comme des sources de courant électrique de haute tension et des pompes à vide plus efficaces, a permis d’étu dier le comportement étrange des «tubes à décharge électrique». Le fonctionnement de ces tubes est expliqué aux figures 1.3 à 1.5. 1.2 LE MODÈLE ATOMIQUE DE THOMSON 8 C H A P I T R E 1 Au cours du 18e siècle, la chimie est devenue une véritable science grâce à la formulation des premières lois basées sur des résultats expérimentaux. Par exemple, la loi de la conservation de la masse, énoncée par Antoine Laurent de Lavoisier (1743–1794), qui stipule que la masse totale des réactifs est tou- jours égale à la masse totale des produits. Le premier à formuler une théorie sur la nature de la matière à partir de ces lois fut un professeur et scientifique anglais, John Dalton (1766–1844). En 1808, Dalton proposa l’idée que la matière était composée de particules indi visibles, comme l’avait imaginé Démocrite, et que ces particules se dis- tinguaient les unes des autres par leur masse. Le modèle atomique de Dalton se base sur les principes suivants: La matière est composée de particules extrêmement petites et indivisibles: les atomes. T ous les atomes d’un même élément sont identiques (même masse, même taille, mêmes propriétés chimiques). Par exemple, tous les atomes de car- bone sont identiques. Les atomes d’un élément diffèrent de ceux des autres éléments. Par exemple, les atomes d’oxygène sont différents des atomes de carbone. Les atomes d’éléments différents peuvent se combiner pour former des composés selon des proportions définies. Par exemple, le carbone et l’oxy - gène peuvent se combiner selon une proportion de 1:1, comme dans le cas du monoxyde de carbone (CO), ou selon une proportion de 1:2, comme dans le dioxyde de carbone (CO2). Les réactions chimiques entraînent la formation de nouvelles substances. Cependant, au cours d’une réaction chimique, aucun atome n’est détruit, divisé ou créé. Par exemple, le dioxyde de carbone est formé selon la réaction: C + O2 ➞CO2 1.1 LE MODÈLE ATOMIQUE DE DALTON CONCEPTS DÉJÀ VUS Conservation de la matière Élément Composé Un tube à décharge électrique est constitué de deux bornes métalliques, une cathode et une anode, placées aux deux extrémités d’un tube contenant un gaz. 1.3 Borne en métal négative (aussi appelée «cathode») Borne en métal positive (aussi appelée «anode») Tube en verre Source de haute tension Vers la pompe à vide ST STE SE ST STE SE Selon Dalton, l’atome est semblable à une bille, solide et indivisible. 1.2 9 L’atome et les éléments La figure 1.4 démontre en fait le fonctionnement des tubes fluorescents, qui éclairent de nombreux lieux publics, et des néons, qui uploads/Science et Technologie/ obs4-ch1-manuel.pdf