ATOMES, IONS, MOLECULES

HISTOIRE DE L'ATOME

De sa belle ville sicilienne d'Agrigente, le Grec Empédocle (vers 492-432 av. J.-C.) divisa la matière en quatre éléments, qu'il appela aussi "racines":

l'eau la terre l'air le feu

Ces éléments sont mus par les forces de l'amour et de la haine.

Dans l'amour absolu, ils forment une unité homogène, alors que la haine les sépare. Lorsque ces deux forces entrent en conflit, le mélange des éléments fait surgir les choses matérielles.

Cette vision de la matière préfigure déjà un peu la nôtre par la notion d'éléments liés par des forces attractives et répulsives.

+ LES GRECS ATOMISTES

Le mot "atome" vient du grec "a-tomos" et signifie "insécable". Cette notion fut inventée par Leucippe de Milet en 420 avant J.C.

Son disciple, Démocrite d'Abdère (vers 460-370 av. J.-C.), expliquait que la matière était constituée de corpuscules en perpétuel mouvement et dotés de qualités idéales; Ces corpuscules étaient:

· invisibles à cause de leur extrême petitesse

· insécables ou indivisibles comme leur nom l'indique

· pleins (pas de vide à l'intérieur)

· éternels car parfaits

· entourés d'un espace vide (pour expliquer le mouvement et les changements de densité)

· ayant une infinité de formes (pour expliquer la diversité observée dans la nature)

L'atome est-il d'origine grecque ?

Il semble qu'à la même époque que celle de Leucippe, il existait en Inde une philosophie (système Vaiseshika) qui enseignait déjà que la matière était formée d'atomes indestructibles: Leur assemblage en choses visibles est dégradable et, au terme d'une période du monde, les liaisons atomiques se dissolvent, puis après une phase de repos, se réunissent en un nouveau monde... Donc pas de monopole atomiste grec...

La doctrine atomiste grecque sombra dans l'oubli pendant de longs siècles et laissa place au triomphe durable de la théorie des quatre éléments d'Empédocle.

+L'ALCHIMIE DU MOYEN-AGE

Née au Moyen-Age, l'alchimie est née des progrès de la métallurgie et de l'insuffisance de la théorie des 4 éléments à représenter la diversité de la matière.

Le grand dessein de l'alchimie était d'obtenir la transmutation des métaux "vils" (tels que le cuivre) en métaux "nobles" tels que l'or. Sans doute parce que le succès du "Grand Oeuvre" (la transmutation) ouvrait des perspectives de richesse et de pouvoir, l'activité des alchimistes s'entourait de secret et s'inscrivait dans une démarche très ancienne d'ésotérisme et d'occultisme.

La démarche de l'alchimie (comme celle de l'astrologie d'ailleurs) établissait des liens symboliques qui unissaient le microcosme au macrocosme (monde des planètes). Par exemple, l'élément Plomb était associé à la planète Saturne car celle-ci nous apparaît d'une couleur jaune "plombée".

Malgré leur croyance ésotérique, les alchimistes développèrent l'observation, l'expérimentation, la mesure et la classification des éléments: l'alchimie est donc un précurseur respectable de la chimie. D'ailleurs n'oublions pas que Newton en fut adepte et que la physique actuelle a réalisé le vieux rêve de la transmutation en transformant certains atomes en d'autres.

+ LE TABLEAU DE MENDELEIEV

En 1869, le chimiste russe Dimitri Mendeleïev construit un tableau qui classe tous les éléments chimiques alors connus d'après leurs propriétés chimiques. Ce tableau servira plus tard à classer méthodiquement tous les atomes naturels et artificiels d'après leur numéro atomique (c'est-à-dire le nombre de leurs protons).

+DECOUVERTE DE L'ELECTRON

Et, en 1897, Thompson découvre le premier composant de l'atome: l'électron, particule de charge électrique négative.

En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thompson".

Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une sustance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".

+DECOUVERTE DU NOYAU

En 1912, Rutherford (physicien néo-zélandais) découvre le noyau atomique.

Son nouveau modèle d'atome montre que sa charge électrique positive, ainsi que l'essentiel de sa masse, est concentrée en un noyau quasi-ponctuel.

Les électrons de l'atome se déplacent autour de ce noyau tels des planètes autour du Soleil, et la force électrique attractive (la charge - de l'électron attirant la charge + du noyau) joue le rôle de la force de gravitation pour les planètes; d'où le nom de modèle d'atome planétaire.

A noter que contrairement à l'atome des Grecs, celui de Rutherford n'est ni indivisible (puisque composite), ni plein puisqu'il contient essentiellement du vide: La distance noyau-électrons est 100.000 fois plus grande que le diamètre du noyau lui même (diamètre du noyau = 10-15 mètre = 1 Fermi).

+ DECOUVERTE DES NUCLEONS

Rutherford comprend que le noyau est lui-même composé de nucléons. Ces nucléons sont de deux sortes:

· de charge positive, c'est un proton.

· de charge neutre, c'est un neutron

Le neutron sera effectivement découvert en 1932 par Chadwick.

Le modèle planétaire de l'atome présente un gros défaut. Les électrons peuvent émettre de la lumière sous certaines conditions (dans un ampoule électrique par exemple); ce faisant, ils perdent de l'énergie et devraient donc se rapprocher dangereusement du noyau jusqu'à s'y écraser!

Un tel atome ne serait donc pas stable.

+ L'ATOME DE BOHR

Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome:

Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées"; seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron. Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber) de la lumière.

+VERS LA PHYSIQUE QUANTIQUE

Le modèle de Bohr est le dernier modèle obéissant à la physique classique, c'est-à-dire la physique qui explique les mouvements et les phénomènes existant à notre échelle humaine. Ces modèles d'atomes sont donc faciles à comprendre et à se représenter.

Quel plaisir intellectuel (et quelle paresse!) que de se représenter les atomes sous forme de petites boules tournant les unes autour des autres...

Ce modèle est d'ailleurs toujours celui que le grand public affectionne!

Eh bien ce modèle est faux car, à l'échelle atomique, de nouvelles lois s'appliquent! Ces lois appartiennent à une étrange physique très éloignée de nos concepts habituels: la physique quantique.

STRUCTURE DE L'ATOME

L'atome est le constituant fondamental de la matière.

Un corps constitué d'atomes de même espèce est appelé corps simple

Structure interne de l'atome

Un chimiste Russe est l'un des fondateur de la chimie pour ses travaux sur les atomes :

Dimitri Mendeleïev (1834-1907)

Il classe en 1869 les éléments en fonction de leur poids atomique («classification périodique des éléments») et démontre que leurs propriétés chimiques sont des fonctions périodiques de ce poids atomique, ce qui révolutionne la chimie en général.

Zone de Texte: L'atome qui est électriquement neutre est constitué :
D'un noyau contenant : - des protons chargés positivement
- des neutrons qui sont électriquement neutres

D'électrons chargés négativement et qui gravitent autour du noyau.

L'atome étant neutre contient autant de charges positive que négative donc l'atome aura donc autant de………………que de…………………...

Les protons et les neutrons s'appellent : les……………………..

Représentation d'un atome

Un atome est représenté par un symbole :

Pour les atomes suivants donnez le nombre de masse A et le numéro atomique ainsi que le nombre d'électrons, le nombre de protons et le nombre de neutrons :

Atome	Nombre de masse A	Numéro atomique Z	Nombre d'électrons	Nombre de protons	Nombre de neutrons

Les différents niveaux d'énergie des électrons

Les électrons qui gravitent autour du noyau se répartissent en couche ( ou niveaux d'énergie).

Les couches sont désignées par les lettres K, L, M, N, O, P, Q.

Chaque couche peut contenir un nombre maximal d'électrons regroupé dans le tableau suivant :

Nom de la couche	Nombre maximal d'électrons
K	2
L	8
M	8
N	18
O	18
P	32
Q	18

Les électrons remplissent d'abord la couche K puis la L, puis la M, ect………pour former la structure électronique de l'atome.

Donnez la structure électronique des atomes suivant en complétant le tableau suivant :

Atome	Numéro atomique Z	Nombre d'électrons	Structure électronique	Remplissage des couches
			( K )	K
				L
			( K ) ( L )	K
				L
				K
				L
				K
				L
				K
				L
				K
				L
				M
				K
				L
				M
				N
				K
				L
				M
				K
				L
				M

Représentation de Lewis d'un atome

Seuls les électrons de la dernière couche électronique figurent dans la représentation de Lewis d'un atome.

Une paire d'électrons est représentée par un trait.

Un électron seul est appelé électron célibataire.

Atome	Remplissage de la dernière couche	Représentation de Lewis

Les isotopes

Les atomes ayant le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différents sont appelés isotopes :

Exemple : : hydrogène :

: : :

La classification périodique des éléments

Elle regroupe les atomes ( ou éléments ) suivant leur numéro atomique Z croissant.

Chaque ligne correspond à un remplissage d'une nouvelle couche.

Les atomes appartenant à la même colonne ont la même structure électronique externe : ils ont donc la même représentation de Lewis.

Il existe différentes familles d'éléments :

Première colonne : Alcalins ( à l'exception de l'hydrogène ) : Li, Na, K….

Septième colonne : Les halogènes : F, Cl, Br ……

Huitième colonne : Les gaz Nobles : He, Ne, Ar……

La seconde information donnée importante est la masse molaire de l'élément.

La masse molaire M d'un élément X correspond à la masse de 6,023 ´ 10²³ atomes de cet élément.

Elle est exprimée en gramme par mole : (g/mol ou g mol^-1)

Particules	Masse(Kg)
Electron	9,1 ´ 10^-31
Neutron	1,672 ´ 10^-27
Proton	1,672 ´ 10^-27

Calculez la masse d'une mole

D'hydrogène :

De carbone :

D'azote :

IONS ET MOLECULES

Zone de Texte: Pour former des ions ou des molécules les atomes vont réagir de façon à acquérir la structure électronique externe du gaz Noble le plus proche. La règle de l'octet

Les atomes peuvent alors :

- gagner ou perdre des électrons et se transformer en ions ( cations(+), anions(-) )

- former des liaisons de covalence par la mise en commun d'électrons célibataires pour former des liaisons de covalence

Formation d'ions

Atome	Nom et structure électronique du gaz noble le plus proche	Ion formé par l'atome
Cl
Mg
K
Na

Ces ions formés sont monoatomiques.

Il existe aussi des ions polyatomiques : SO₄^2- : ion…………….

OH^- : ion…………….

H₃O⁺ : ion…………….

HCO₃^- :ion…………….

Formation de molécules

En vous aidant de la règle de l'octet et des modèles moléculaires quelles molécules peut-on former à partir des atomes que l'on vous donne.

1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène

Représentation de Lewis de C :

Représentation de Lewis de O :

Formule développée : Formule brute :

( représentation de Lewis )

1 atome d'oxygène et 2 atomes d'hydrogène

Représentation de Lewis de O :

Représentation de Lewis de H :

Formule développée : Formule brute :

( représentation de Lewis )

1 atome d'azote et 3 atomes d'hydrogène

Représentation de Lewis de N :

Représentation de Lewis de H :

Formule développée : Formule brute :

( représentation de Lewis )

Exercices

1°) Donnez le nom et le nombre d'atomes des éléments qui forment les molécules suivantes :

Dihydrogène : H₂ Eau : H₂O Chlorure de cuivre II : CuCl₂

Acide sulfurique : H₂SO₄ Sulfate d'aluminium : Al₂(SO₄)₃

Carbonate de calcium : CaCO₃

2°) Donnez le nom et le nombre d'atomes des éléments qui forment les molécules suivantes :

3°) Ecrivez les formules développées des molécules ci-dessous :

Fluorure d'hydrogène : HF Chlorure d'hydrogène : HCl

Dioxyde de carbone : CO₂ Cyanure d'hydrogène : HCN

Ion hydroxyde : OH^- Ion hydronium : H₃O⁺

4°) Calculez la masse molaire des molécules suivantes :

H₂O :

CO₂ :

C₂H₆ :

CH₃SH :

C₁₀H₂₀O :

C₁₂H₂₅SO₃Na :

LES REACTIONS D'OXYDOREDUCTION

Expérience n°1 Réaction entre un métal et une solution ionique

Matériel : - deux tubes à essai

- du sulfate de cuivre

- de la poudre de fer

- de l'eau

1°) Observez de la poudre de sulfate de cuivre.

Couleur de la poudre : …………………

Formule chimique du sulfate de cuivre : ………………

2°) Prenez un tube à essai rempli pour moitié avec de l'eau et ajoutez-y du sulfate de cuivre.

Compléter le schéma

Que constatez vous ? ………………………………………..

Zone de Texte: Equation bilan :
…………… …………. + ………….

Ceci est une réaction de……………….

3°) Prenez le tube à essai contenant la poudre de fer, ajoutez-y la solution de sulfate de cuivre. Boucher le tube et agitez légèrement, débouchez ensuite.

Compléter le schéma

Que constatez-vous ?……………………………………………..

Complétez l'équation bilan ci-dessous :

introduire les couples

4°) Regardez ce qui se passe lorsqu'on ajoute quelques gouttes de soude à une solution de sulfate de fer :

En solution : FeSO₄ ………+……….

En solution : NaOH ……. + ………..

En présence d'ion Fer II (…..) Fe^…. + …..OH^- …………

C'est une réaction de …………………..

5°) Ajouter quelques gouttes d'une solution de soude dans votre tube à essai.

Que constatez- vous ?…………………………………

Qu'en concluez-vous ?……………………………

Compléter la réaction :

Conclusion :

Les deux réactions ayant eu lieu lors de l'ajout de la solution de sulfate de cuivre (………..) sur la poudre de fer sont :

……………………………….

Equation bilan générale : …… + …….. ……..+………

C'est une réaction…………………

Conclusion

On vient donc de réaliser une réaction d'oxydo-réduction dans laquelle les deux couples mis en présence sont…………………et………………….

On dit que l'ion…………a………………..le fer ou que le fer a…………….l'ion…….

UTILISATION DES REACTIONS D'OXYDO-REDUCTION

1°) Fabrication d'une pile

Schéma de l'expérience :

Observation :

Interprétation :

2°) Classement des couples rédox

1. On réalise les 4 demi piles suivantes :

2. Nommez les couples rédox mis en présence dans chacun des béchers

3. A l'aide d'un pont salin on réalise la pile formée des deux demi piles Cu²⁺/Cu et Pb²⁺/Pb

Une fois réalisée mesurez la tension aux bornes de la pile en reliant la borne COM du voltmètre à la lame de plomb et la borne + du voltmètre à la lame de cuivre.

Schéma de l'expérience :

Résultat de la mesure :

En déduire la nature des réactions mise en jeu à chaque pôle

Pôle + : Couple………. Pôle - : Couple………

Réaction :…………………………………….. Réaction : ……………………………...

Nature de la réaction : Nature de la réaction :

4. Faîtes de même en remplaçant la demi pile Pb²⁺/Pb par les autres demi-piles et reprotez la valeur de la tension lue dans le tableau :

Demi-pile Zn²⁺/Zn	Tension lue :
Demi-pile Ag⁺/Ag	Tension lue :

5. Le cuivre est-il toujours le pôle + de la pile ?

6.Placez les potentiels des couples redox sur l'axe ci-dessous en utilisant les valeurs des tensions que vous avez relevées .

Conclusion :

A chaque couple rédox est associé un potentiel normal d'oxydoréduction exprimé en volt (V).