Chapitre 1 : Les atomes : histoire, composition, classement

Rappel :

L’eau est partout présente dans notre

environnement sous 3 états : solide,

liquide, gazeux. Toute la matière qui

nous entoure est aussi sous l’un des

trois états.

Le passage d’un état à un autre

nécessite de l’énergie sous forme de

chaleur (transfert thermique)

N.B : la chaleur va toujours du corps

chaud vers le corps froid.

Ainsi, pour faire la fusion, la

vaporisation ou la sublimation, il faut

apporter de l’énergie à l’eau en chauffant.

Pour faire la liquéfaction, la solidification ou la condensation, il faut retirer de l’énergie

à l’eau en refroidissant.

Toute la matière qui nous entoure est constituée minuscules et indivisibles particules

appelées molécules.

Une simple goutte d’eau est constituée de milliards de milliards de molécules d’eau TOUTES

IDENTIQUES :

la même taille (environ 0,000 000 000 3 nm),

la même masse (3,3 x 10-24 kg)

la même forme en « tête de Mickey ».

Remarque 1 : Il faudrait aligner 3 milliards de molécules les autres derrière les autres pour

arriver à la distance d’un mètre. Ou il faudrait mettre dans un verre 10 millions de milliards

de milliards (1025) de molécules pour atteindre une masse d’eau d’un verre (250/300 mL soit

250/300 g)

Remarque 2 : Inutile d’essayer de voir au microscope des molécules d’eau, beaucoup trop

petites : on utilise des microscopes à effet tunnel ou à force atomique.

1/ Les atomes, des sous-constituants de molécules

A/ Activité 1 : histoire de l’atome et de la molécule

Image en plus haute résolution (disponible à la demande)

1/ Quel est le premier physicien à émettre l’existence de minuscules et indivisibles particules

appelées atomes ?

C’est Démocrite, vers – 400 avant JC.

2/ Comment appelle-t-on la plus petite particule d’eau ?

C’est la molécule d’eau.

3/ Quel physicien a montré que les molécules étaient constituées de plus petites particules en

proportions simples ? Comment les a-t-il appelées ?

C’est John Dalton, au début des années 1800.

4/ Quand la distinction entre molécules et atomes est-elle réellement admise et comprise ?

Dans les années 1860.

5/ Qui découvre une particule chargée négativement dans l’atome ? Quand ? Comment l’appelle-

t-il ?

L‘électron chargé négativement est découvert par JJ. Thomson vers 1891.

6/ Un atome est-il chargé électriquement ?

Non.

7/ Qui découvre l’existence d’un noyau chargé positivement au milieu de l’atome ? Quand ?

C’est Ernest Rutherford.

8/ Quel modèle de l’atome Ernest Rutherford invente-t-il ? Décris-le en une ou deux phrases.

C’est le modèle planétaire de l’atome. Pour lui, les électrons négatifs gravitent autour d’un noyau

positif comme les planètes tournent autour du soleil.

9/ La charge positive du noyau est due à une particule constitutive du noyau. Quel nom porte-t-

elle ?

C’est le proton, découvert en 1916

10/ Un physicien a découvert une autre particule dans le noyau de l’atome ? Qui, quand ? Quel

est son nom et sa charge électrique ?

C’est le neutron, neutre électriquement, découvert en 1932 par James Chadwick.

11/ Avec quelle théorie complexe décrit-on aujourd’hui un atome ?

Avec la physique quantique.

12/ Représente un atome, en légendant le plus précisément possible (charge, nom des

constituants...)

13/ Combien y-a-t-il de molécules d’eau dans 1 L d’eau ? Ecris ce nombre avec des chiffres

Il y en a trois millions trois cent quarante mille milliards de milliards, soir : 33 400 000 x

1 000 000 000 x 1 000 000 000 = 3 340 000 000 000 000 000 000 000 molécules, soit environ

3,34x 1025 molécules.

14/ On donne la formule d’une molécule d’eau : H2O, pour 2 atomes d’hydrogène et 1 atome

d’oxygène. Combien y-a-t-il d’atomes d’oxygène et d’atomes d’hydrogènes dans 1 L d’eau.

Il y a autant de molécules d’eau qu’il y a d’atomes d’oxygène, soit 3,34x 1025 atomes environ.

Il y a 2 fois plus d’atomes d’hydrogènes que de molécules d’eau, soit 6,68x 1025 atomes environ

15/ Combien y-a-t-il de molécules environ dans 1 L d’air ? Réécris ce nombre en chiffres

Il y en a environ 25 000 milliards de milliards, soir :

25 000 x 1 000 000 000 x 1 000 000 000 = 25 000 000 000 000 000 000 000 molécules, soit 2,5 x 1022

molécules.

16/ Quelle matière est la plus densément peuplée en molécules : l’eau ou l’air ?

C’est l’eau liquide et il y en a plus de 1000 fois plus.

B/ Bilan : ce qu’il faut retenir sur l’atome

L’atome étant très petit, invisible à l’œil nu et ayant un comportement très complexe, les chercheurs ont ressenti le besoin de le modéliser.

Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité construite pour expliquer des phénomènes observables.

Même si le modèle planétaire de Rutherford est faux, il est suffisant, au niveau collège. Il sera amélioré plus tard, quand vous aurez acquis des connaissances et un niveau mathématiques plus élevé.

On retiendra : Un atome est constitué d’un noyau autour duquel bougent des électrons. Une molécule est constituée de plusieurs atomes.

Composition Electrons Protons Neutrons

Charge

électrique Négative Positive 0

Remarque sur la

charge électrique

Vu que l’atome doit être électriquement neutre, il doit comporter autant de charges +

portées par les protons que de charges – portées par les électrons

Nombre Autant que de protons,

C'est-à-dire Z électrons

Z : C’est le Numéro atomique

(aussi le nombre de charges positives dans

le noyau)

N neutrons

Z + N = A : C’est le nombre total de nucléons, appelé

Nombre de masse

H2O

noyau

Protons et neutrons sont des nucléons

Pour se donner une idée du vide entre le noyau et les électrons : (voir CPS « voyage au

cœur de la matière »)

Le noyau d’un atome peut être représenté par un pois chiche au milieu d’un terrain de football.

Si on supprimait l’espace entre les atomes, la Terre pourrait rentrer dans un cube de 100 m de côté.

C/ Qu’est-ce qui différencie tous les atomes entre eux ? Qu’est

ce qui change entre un atome d’hydrogène et un atome d’oxygène ?

C’est le nombre de protons, de neutrons et d’électrons.

Il y a autant de protons que d’électrons dans un atome. Le nombre de protons est noté Z, on

l’appelle Numéro atomique.

Un élément chimique est un atome (ou un ion, programme de 3eme) défini par son numéro atomique Z.

(Exemple : élément carbone : Z = 6 ; élément oxygène : Z = 8 ). Dans un atome de carbone, il y

aura toujours 8 protons et 8 neutrons. Le nombre de neutrons peut changer (notion d’isotopes 12

6C :

98.89 % ; 13

6C : 1.11 % ;

14

6C : traces, radioactifs, sert pour la datation)

(Ce n’est pas à savoir pour le DNB : Le nombre de nucléons (somme du nombre de protons et de

neutrons) est noté A et est appelé Nombre de masse)

Dans un atome, il y a donc Z électrons, Z protons et A-Z neutrons.

Taille Molécule : environ 10 -9 m Atome : 10-10 m ; noyau : 10-15 m

Remarque sur la

taille Approximativement

Taille atome taille noyau

= 100 000 L’atome est 100 000 plus grand que le noyau.

Masse 9,1 x 10-31 kg 1,6 x 10-27 kg

Remarque sur la

masse

Les électrons ont une masse 1800 fois plus petite qu’un nucléon

On peut donc dire que la masse d’un atome est quasiment égale à celle de son noyau

matome ≈ somme des la masse des nucléons

Remarque :

Entre les électrons et le noyau, il y a du « vide » : on dit que l’atome a une structure

lacunaire

atome Molécule

Notation officielle d’un atome (élément chimique) :

2/ La classification périodique des éléments chimiques

La classification périodique des éléments (ou tableau périodique des éléments) est l’outil de référence du scientifique. C’est un grand tableau regroupant tous les éléments chimiques connus à ce jour dans l’univers.

Dans tout L’univers, il y a 118 éléments chimiques numérotés de Z = 1 à Z = 118 regroupés dans la classification périodique des éléments.

94 sont dans le milieu naturel.

24 sont totalement artificiels (technétium + tous les éléments à partir du Polonium)

C’est un certain Dimitri Mendeleiev, physicien Russe (1834-1907) , 17ème enfant de la famille), qui est celui qui a le plus contribué à son élaboration (l’histoire est longue, vous la

découvrirez plus en détails en 2nde). Au départ, il avait classé les éléments chimiques par poids atomique croissant. Dans la classification périodique actuelle, les éléments chimiques sont classés par NUMERO ATOMIQUE Z croissant.

A chaque élément chimique correspond un symbole :

Soit composé d’une lettre MAJUSCULE : Exemples : C, N, O, H, P,

Soit de 2 lettres, avec la première en MAJUSCULE et la deuxième en minuscule. Exemples :Ca, Mg, Fe, Zn, Al, Ag

La classification périodique est constituée de :

18 colonnes appelées familles. Dans une même colonne, les atomes des éléments chimiques possèdent des propriétés chimiques semblables

7 lignes appelées périodes.

A

X Z Numéro atomique : c’est le nombre de

protons

Nombre de masse : C’est le nombre de

nucléons (protons + neutrons)

Symbole de l’élément chimique

1

H 1

16

O 8

Nombre de protons (numéro atomique Z): 1

Nombre d’électrons : 1

Nombre de neutrons : A-Z = 1-1 = 0

Atome d’hydrogène H Atome d’oxygène O

Nombre de protons (numéro atomique Z): 8

Nombre d’électrons : 8

Nombre de neutrons : A-Z = 16-8 = 8

Exercice : Complète les tableaux suivant à l’aide de la classification périodique

Atome Hydrogène Hélium Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magnésium Aluminium

Z 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Symbole H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al

Atome Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon Potassium Calcium Fer Cuivre Zinc argent Iode

Z 14 15 16 17 18 19 20 26 29 30 47 53

Symbole Si P S Cl Ar K Ca Fe Cu Zn Ag I

Atome Or Platine Polonium Uranium Astate Antimoine Chrome Cobalt Mercure étain césium Radium

Z 79 78 84 92 85 51 24 27 80 50 55 88

Symbole Au Pt Po U At Sb Cr Co Hg Sn Cs Ra

3/ Quelques propriétés de la matière.

A/ La masse est-elle conservée lors des changements d’état ?

Docteur Freeze, ingénieur en chef de la fabrication des glaces à l’eau « Mr Freeze », souhaite exporter sa production en

Turquie.

1/ Ce que je vais faire…

Etat Solide Liquide gazeux

Représentation à

l’aide du modèle

molécule

Changement

d’état

Ensemble… Compact et ordonné Compact et désordonné Dispersé et très

désordonné

Molécules Liées, quasi immobiles et

rapprochées

Un peu liées, mobiles et très

rapprochées

Non liées, éloignées, en

mouvement rapide

Possède un… Volume propre, une forme

propre Volume propre

« Pour diminuer le prix du transport en Turquie, il

faut que je fasse fondre les glaces pour qu’elles

soient moins lourdes à transporter ».

« La glace est plus lourde et plus dure que l’eau

liquide car les molécules d’eau sont plus

rapprochées et plus liées ».

Est-ce que Docteur FREEZE a raison ?

Je veux cette feuille complétée dans moins de 30 min…

La masse se conserve-t-elle lors des changements d’état, ici la fusion de la glace Mr Freeze ? Pour le savoir, je vais faire fondre un

glaçon dans un récipient et peser le bécher avant et après.

Le matériel que je vais utiliser est : Bécher, glaçon, balance, chauffe-ballon (bec électrique)

Je réalise un schéma légendé et PROPRE de l’expérience que je vais réaliser :

2/ Je réalise mon expérience… proprement et dans le calme. (appelle le professeur )

3/ Ce que j’observe…

Les résultats chiffrés de mon expérience sont : La masse reste de 162,1 g avant et après la fusion

Je réalise un schéma légendé et PROPRE des résultats de mon expérience (avec les chiffres) :

4/ Ce que je conclus : Rédige une petite conclusion à BATMAN . ( /2)

Mr Batman,

J’ai l’honneur de vous signaler que votre ingénieur Mr Freeze fait une grossière erreur. Lorsque les glaces sont fondues, leur

masse ne change pas car le nombre de molécules d’eau reste inchangé. Seul le volume change lors de la fusion. Il faut absolument virer

au plus vite ce « bon à rien » et le remplacer par mes talents.

Signé Mr « Ben the best ».

5/ Ouverture : J’interprète à l’aide des molécules : Qu’est ce qui se conserve lors de la fusion de la

glace ? Complète le schéma. (/1)

La masse et le nombre de molécules sont conservés. Seule la

disposition des molécules change, donc le volume(il diminue

d’ailleurs)

Lors d’un changement d’état comme la fusion de la glace :

Les liens entre les molécules d’eau sont cassés par la chaleur du milieu. Les molécules peuvent alors glisser les

unes sur les autres. Leur répartition devient désordonnée. Le volume change.

La masse ne change pas car le nombre de molécules ne change pas : on dit qu’il y a conservation de la masse

lors des changements d’état.

B/ La masse est-elle conservée lors d’une dissolution ?

Pour préparer une sortie pédestre dans le Verdon, M. SANSORGNE conseille de boire beaucoup d’eau et de

manger du sucre pour éviter l’hypoglycémie. Gaston et Donna, élèves de 4ème, préparent donc leur sac à dos

en y mettant une bouteille avec de l’eau et trois morceaux de sucre dans un sopalin.

Qui a raison : Donna ou Gaston ? M. SANSORGNE attend cette feuille complétée

1/ Ce que je vais faire… RAISONNER ( /3) La masse se conserve-t-elle lors d’une dissolution? Pour le savoir, je vais dissoudre 3 morceaux de sucre dans de l’eau et regarder s’il

y a conservation de la masse avec une balance.

Le matériel que je vais utiliser est : Bécher, sucre, balance, spatule.

Je réalise un schéma légendé et PROPRE de l’expérience que je vais réaliser :

2/ Je réalise mon expérience… proprement et dans le calme. (appelle le

professeur )

3/ Ce que j’observe…S’INFORMER ( /2)

Les résultats chiffrés de mon expérience sont : La masse n’a pas changé : elle est

toujours de 106,0 g (100,0 g pour l’eau et 6,0 g pour le sucre).

Je réalise un schéma légendé et PROPRE des résultats de mon expérience (avec les

chiffres) :

Donna, très bonne élève, propose de dissoudre les

morceaux de sucre dans la bouteille : « En effet, le sucre va

disparaître dans l’eau et le sac sera moins lourd à porter ».

Gaston, piètre chimiste, n’est pas d’accord avec

Donna : il dit que « les molécules de sucre et les

molécules d’eau se conservent lors du mélange et la

masse totale ne va pas changer ».

4/ Ce que je conclus : Rédige une petite conclusion à M. SANSORGNE . COMMUNIQUER ( /2)

Mr Le professeur,

C’est Gaston qui a raison pour une fois. En préparant une eau sucrée, il y a conservation des molécules de sucre et d’eau. La masse ne

change pas. C’est donc une bonne idée que de boire une telle eau car on évite l’hypoglycémie en même temps que l’on s’hydrate.

C/ Bilan final

Lors d’une dissolution, il y a conservation de la masse car les molécules des deux constituants (eau et sucre) se

conservent.

5/ Ouverture : J’interprète à l’aide des molécules : Qu’est ce qui se conserve lors de la dissolution du

sucre? Complète le schéma. (/1)

La masse et le nombre de molécules sont conservés.

Lors d’une dissolution ou d’un changement d’état, la masse se conserve car le nombre de molécules se conserve.

4/ Les formules chimiques « Afin de modéliser les molécules, on utilise des modèles moléculaires environ 100 millions de fois

plus grand. »

A/ Les atomes

On modélise par des petites boules de couleurs différentes et de tailles différentes et on leur donne un symbole

Modèle de l’atome

Nom Carbone Hydrogène Oxygène Azote

Symbole C H O N

A/ Les molécules

Dans la majorité des cas, les atomes ne restent pas seuls, ils s’assemblent pour former des molécules. Les molécules sont donc constituées par des assemblages d’atomes liés entre eux par des liaisons chimiques. On représente les molécules par une formule et un modèle moléculaire, qui est une modélisation et pas la réalité exacte. Un modèle sert juste à faciliter la compréhension. Exemples : Les gaz dioxygène, dihydrogène, dioxyde de carbone et méthane et l’eau liquide sont constitués de molécules. 2 modèles de représentation existent :

Des modèles

éclatés : Ils

permettent de voir la

nature des liaisons.

Des modèles

compacts : Les

liaisons

n’apparaissent pas

mais ils sont plus

proches de la réalité.

Modèle de la molécule

Nom de la molécule

Eau Dioxygène Diazote Dioxyde

de carbone Méthane Butane

Formule chimique

de la molécule

H2O O2 N2 CO2 CH4 C4H10

Que représentent les chiffres en indice à droite du symbole? Ils indiquent le nombre

d’atomes dans la molécule. Exemple : Dans H2O, il y a 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène. Que représentent les lettres ? Elles indiquent le nom des atomes dans la molécule Quand il n’y a pas de chiffre en indice, que cela signifie-t-il ? Il est sous-entendu « 1 ». Ex : NH3=N1H3

Quel ordre doit-on respecter lorsqu’on écrit une formule chimique ? l’ordre alphabétique

Modèle moléculaire

Formule chimique

Nom Ethanol Eau oxygénée Propane Ethane Acide acétique

Modèle moléculaire

Formule chimique

Nom Dioxyde d’azote Ethanamide dihydrogène Ethylamine Ether

méthylique

A coller partie « Exercices » (cahier retourné)

A5 - A la recherche de la formule chimique

Nom acétone ozone propane benzène adrénaline glucose aspirine caféine

Formule C3H6O C3H8 C9H13NO3 C9H8O4

No

mb

re d

′ato

me

s…

d’hydrogène 0 6 12 10

de carbone 0 6 6 8

d’oxygène 3 0 6 2

d’azote 0 0 0 4