HYPOTHESE ATOMIQUE

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Elément, composés et mélanges

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La plupart des substances que l’on rencontre dans la nature sont des mélanges, dans lesquels les divers composants sont rassemblés sans qu’ils soient combinés chimiquement.

L’air est un exemple de mélange qui nous est familier: il contient 78% d’azote, 21% d’oxygène et de faibles quantités d’argon, de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone.

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Les millions de produits chimiques différents que nous connaissons aujourd’hui peuvent presque tous être scindés en des substance plus simples.

Une substance purée qui peut être décomposée en éléments est appelée un composé.

Toute substance qui ne peut plus être scindée en des substances plus simples est appelée un élément.

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Selon le modèle atomique de Dalton, les atomes des différents éléments peuvent s’associer entre eux dans un rapport déterminé. De telles associations d’atomes sont appelées « molécules ». Une molécule est une particule formée par un nombre déterminé d’atomes.

Avec ce modèle, l’existence des différents types de corps purs s’explique facilement: Corps simple: sont constitués d’atomes d’un seul

élément. Ex: O2, O3, N2…………………..

Corps composé: renferment des atomes de différents élément. Ex: NaCl, CaCl2……….

La loi théorie atomique de Dalton

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En 1808, John Dalton (1766-1844, chimiste et physicien anglais) proposa sa génial théorie atomique. Il peut s’énoncer de la façon suivante:

Chaque élément est constitué de particules non divisibles: les atomes.

Les atomes d’un élément ont tous la même masse. Les atomes d’éléments différents se distinguent par leur masse.

Les atomes ne peuvent être ni détruits, ni produits par des réactions chimiques.

Lors des réactions chimiques, les atomes des éléments différents se lient dans un rapport déterminé.

Loi de la conservation de la masse

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Le chimiste français Antoine Lavoisier est considéré aujourd’hui comme le « père »de la chimie moderne. Il était le premier à introduire la balance dans ses travaux: il pesait les réactifs et produits avant et après les expériences réalisées.

Il résumait ses découvertes en formulant la « loi de la conservation de la masse » en 1789:

Pesons une fiole de type erlenmeyer contenant de l’acide chlorhydrique, un morceau de craie et un ballon. m = 83,47g

Introduisons la craie dans la fiole et fermons rapidement l’ouverture avec le ballon. Une vive effervescence se produit dans la fiole. Un gaz incolore est dégagé, le ballon gonfle. A la fin de la réaction, déterminons la masse de l’ensemble : m = 83.47g

Expérience

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Pour les situations décrites ci-dessous, indique les réactions à l’aide de la notation simplifiée, puis réponds aux questions posées :

a. 7g de fer réagissent avec 4g de soufre pour former du sulfure de fer. Détermine la masse de sulfure de fer formée.

b. Le magnésium réagit avec le dioxygène pour former de l’oxyde de magnésium. A partir de 3g de magnésium, on obtient 5g d’oxyde de magnésium. Détermine la masse de dioxygène qui a réagi.

c. Lorsqu’on chauffe l’oxyde d’argent, il se décompose en argent et en dioxygène. En chauffant 7g d’oxyde d’argent,

on obtient 6,5g d’argent. Détermine la masse de dioxygène libéré

Exercise

La loi des proportion définies

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La quantité relative de chaque élément dans un composé donné est toujours la même, quelle que soit l’origine du composé ou la manière dont il a été préparé.

Ex: L’eau contenait toujours 88,9% d’oxygène et 11,1% d’hydrogène.

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Ex. Supposons qu’on ait analysé 1,63g de sulfure de calcium et que le résultat indique que cet échantillon est constitué de 0.906 g de calcium et de 0.724 g de soufre. Il s’ensuit alors que les pourcentages massiques du calcium et du soufre sont, dans le sulfure de calcium:

%𝐶𝑎 =𝑚𝐶𝑎

𝑚𝐶𝑎𝑆× 100 =

0,906𝑔

1,63𝑔× 100 = 55,6 %

%𝑆 =𝑚𝑆

𝑚𝐶𝑎𝑆× 100 =

0,724𝑔

1,63𝑔× 100 = 44.4 %

Exercise

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Un échantillon de 5,65g d’un composé contenant du potassium, de l’azote et de l’oxygène a, à l’analyse élémentaire, donné les résultats suivants: 38,67% de potassium, 13,86% d’azote. Calculer le nombre de grammes de chaque élément dans cet échantillon.

De la poudre de cuivre (1,28g) est chauffée en présence de soufre et on obtient 1,6 g d’un sulfure de cuivre. Calculer les pourcentages massiques du cuivre et de soufre dans se composé.

Loi des proportion multiples

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Lorsque des même éléments se combinent en plusieurs proportions pour former composés différents, le rapport de la masse de chacun des constituants à la masse de l’un d’entre eux est un nombre entier simple.

Ex: l’hydrogène et l’oxygène s’unissent en proportion différents pour former deux composés, l’eau et le peroxyde d’hydrogène.

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Substance Hydrogène Oxygène

Eau 1g 8g

Peroxyde d’hydrogène 1 g 16g

Peroxyde d’hydrogène

𝐸𝑎𝑢

1𝑔

1𝑔= 1

16𝑔

8𝑔= 2

Mole

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Etant donné qu’un échantillon normal de matière contient un très grand nombre d’atomes, on a, pour les dénombrer, créé une unité de mesure, la mole. Une mole (abrégée mol) est le nombre égal au nombre d’atomes de carbone présents dans exactement 12g de 12C pur.

Ce nombre est appelé le nombre d’Avogradro NA =6,023.1023.

Une mole de quelque chose est composée de NA =6,023.1023

unités de ce quelque chose.

Ex: une douzaine d’œufs contient douze œufs, une mole d’œufs

contient NA =6,023.1023 œufs.

Masse atomique relative

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L'unité de masse atomique unifiée (symbole u ou u.m.a ), appelée aussi dalton (Da) est une unité de mesure standard, utilisée pour mesurer la masse des atomes et des molécules.

mu=1

𝑁𝐴=

1

6,023×1023= 1,66 × 10−24𝑔 = 1,66 × 10−27𝑘𝑔=1u

Autre correspondance utile (en chimie) : 1 u = 1 g.mol-1

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Nous appellerons masses atomiques relatives, les masses des atomes exprimées avec l’unité de masse atomique pour unité de masse; elles sont mesurées par les mêmes nombres que les masses atomiques exprimées en grammes.

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l’Union internationale de Chimie pure et appliquée à la Conférence de Montréal en 1961 ; il est défini de la façon suivante :

L’élément de base est l’isotope 12 du carbone, le plus léger des isotopes de cet élément ; sa masse atomique relative est par convention égale à 12 :

12C = 12 u

La masse de l’atome de carbone 12 est de:

mc = 12/NA = 1, 99. 10-23g

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Si la masse mx est la masse de particule et mu est constante unifié de masse atomique ou d’une particule, on peut calculer la masse atomique relative (Ar) d’où

Ar = mx/mu = mx/1,66. 10-24 = mx/1u

Exercise

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Ex1: Dans le tableau des éléments, on trouve que la masse d’un atome d’américium (Am) est de 243 u. Déterminer la masse de 6 atomes.

Ex2: Calculez le nombre d’atomes et le nombre de moles d’atomes que contient un échantillon d’aluminium de 10 g. Sachant que la masse d’un atome aluminium est de 27 u.

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Masse molaire atomique:

C'est la masse d'un atome ramenée à l'échelle molaire. Cette échelle est définie comme le douzième de la masse d'une mole de carbone-12 et est exprimée en g.mol-1.

EX: M (12C) = 12,00000 g.mol-1

• Masse molaire moléculaire

C’est la somme des masses molaires atomiques des atomes constituants une molécule ou un ion.

EX: M (H2O) = 2 M(H) + M(O)

M (H2O) = 2*1,00794 + 15,9994 = 18,01528 g.mol-1

Exercise

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Déterminez la masse en grammes des quantités suivantes: A) 3.1020 molécules N2

B) 3.10-3 mol de N2

C) 1.5.102 mol de N2

A combien de mole correspond chacun des échantillons suivants?

A) 150 g de Fe2O3

B) 10 mg de NO2

C) 1,5.1016 molécules BF3

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STRUTURE DE L’ATOME

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Un atome est formé d’un noyau et d’électron.

Noyau de l’atome: protons et neutrons = nucléons

Proton: noyau de l’atome hydrogène.

- Une charge électrique positive égale à la charge élémentaire.qp = 1,6. 10-19C.

- Une masse très faible: mp = 1,6726485. 10-27 kg ou 1,0074 u.m.a.

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Neutron: qN = 0.

mN = 1,674 954 3. 10-27kg ou

mN = 1,0086 u.m.a.

On note par Z, le nombre de protons dans le noyau d’un atome. Z est appelé numéro atomique.

Et A le nombre de nucléons dans le noyau d’un atome. A est appelé nombre de masse.

A= Z + N.

Le nombre atomique Z d’un élément est indiqué en bas à gauche du symbole atomique dans le tableau périodique des éléments (T.P.E.).

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Atome: 𝑋𝑍𝐴

X: symbole de nucléide, d’élément ou d’atome

A: nombre de masse ou nombre de nucléons

Z: nombre de protons ou numéro atomique

ne-=Z

Ion: 𝑋𝑛𝑍𝐴

n: nombre de charge

ne-=Z - n

ne-: nombre d’électrons

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Noyau:

qnoyau = Z.qp + N.qN = Z.(+e) + N.(0),

d’où qnoyau = +Z.e.

mnoyau = Z.mp + N.mN,

comme mp ≈ mn, on a donc :

mnoyau = Z.mp + N.mN = mp.(Z + N)

d’où mnoyau = mp.A

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Électrons dans atome:

qe = -e = -1,602 189 2.10-19C,

Soit qe ≈ -1,6.10-19C.

me- = 0,910 053 4.10-30kg.

me- = 5,49. 10-4 u.m.a

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Électrons dans atome:

Comparons la masse de l’électron à la masse du proton :

mp = 1,672 648 5.10-27 kg

me = 0,910 953 4.10-30 kg

Le proton a donc une masse 1836 fois plus grande que celle de l’électron

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La charge totale de l’atome est donc :

qatome = +Z.e + (-Z.e) = 0

La masse totale de l’atome est la somme des masses du noyau et des électrons :

matome = mnoyau + ne-.me = A.mp + ne- .me

= A.mp + ne-.mp/1836 = mp.(A + ne-/1836)

= A.mp

Exercise

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Le noyau d’un atome porte une charge électrique qnoyau = 2,56.10-18C. Le nombre de nucléons A de cet atome est le double du nombre de protons Z.

Données :

Charge élémentaire : e = 1,60.10-19C

Masse du proton : mp = 1,673.10-27kg

Masse du neutron : mn = 1,675.10-27kg

Masse d’un électron : me = 9,10.10-31kg

a. Déterminer le numéro atomique Z de cet atome.

b. Déterminer le nombre de masse A.

c. Déterminer la masse du noyau.

d. Donner la représentation symbolique de cet atome.

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L’alumimium est un métal 13𝐴𝑙27 de masse

volumique ρ = 2,7 g/cm3. A quelle charge électrique correspondent les noyaux d’aluminium contenus dans 1 cm3 de ce métal?

Isotope

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La plupart des éléments naturels sont des mélanges d’isotopes.

A1 = Z + N1,

A2 = Z + N2,

Z = A1 - N1 = A2 - N2

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La masse atomique de ces isotopes sont calculés par les formules suivantes :

𝐴𝑟 =𝑚𝑥

𝑚𝑢

Où:

𝐴𝑟 𝐴𝑋 = 𝐴𝑟( 𝐴𝑖𝑋𝑍 )𝑖=1𝑍 .x( 𝐴𝑖𝑋𝑍 )%

100

D’où x( 𝐴𝑖𝑋𝑍 )% est d’abondant d’isotope naturel en pourcentage (pourcentage en mol).

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Par exemple, L’hydrogène naturel (Z =1) est un mélange d’hydrogène léger ou protium, A =1 (donc N = 0) et d’hydrogène lourd ou deutérium, A = 2 (donc N = 1). Leurs abondances relatives sont 99,985% et 0,015% respectivement. On comprend que la masse atomique de l’hydrogène naturel ne diffère que très peu de celle de l’isotope léger, laquelle est voisine de 1.

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PROTON ELECTRON NEUTRON

PROTIUM (1H) DEUTÉRIUM (2H)

P E N

P P

E E

N

MASSE = 1 MASSE = 2

Exercise

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Le carbone naturel (Z = 6) est un mélange de carbone A = 12, N = 6 (98,9%) et de carbone A = 13, N = 7 (1,1%). Calculer la masse atomique de carbone.

L’azote est composé de deux isotopes naturels, 14N et 15N, dont les masses atomiques sont 14,0031u et 15,0001u respectivement. La masse atomique de l’azote est égale à 14,0067u. Grâce à ces renseignements, calculer le pourcentage de 15N dans l’azote naturel.