Fiche explicative de la leçon: Modèle de l’atome Chemistry

Activités

1. De Thomson à Chadwick

Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et des électrons chargés négativement qui gravitent autour de celui-ci.

Quels sont les faits expérimentaux qui ont fait évoluer la structure de l’atome vers le modèle actuel ? 

Thomson a découvert l’électron, Rutherford a montré que la matiére est essentiellement constituée de vide et Bohr a permis d’expliquer pourquoi les électrons du modèle de Rutherford ne s’écrasaient pas sur le noyau. Lorsque Rutherford met en évidence l’existence du proton, un nouveau probléme se pose : Comment les protons chargés positivement surmontent-ils la force de répulsion électrique qui devrait normalement les éloigner les uns des autres et provoquer l’éclatement du noyau ? 

De plus, des physiciens avaient découvert en 1919, un rayon très pénétrant en bombardant le béryllium avec des particules alpha. Toutefois, ce rayon était impossible à détecter directement.

En 1932, le physicien anglais James Chadwick, élève de Rutherford, prouve que ces rayons pénétrants non identifiés par les physiciens contiennent une particule dépourvue de charge électrique et dont la masse est égale à celle du proton. Il la nomme neutron. Pour rendre compte de l’existence des neutrons, Chadwick améliore le modèle de l’atome jusque là en cours. Il explique que ce sont les neutrons qui par leur présence dans le noyau l’empêchent d’éclater.

Le modèle atomique de Rutherford modifié par Bohr et amélioré par Chadwick se nomme le modèle atomique de Rutherford-Bohr. Il est encore en vigueur aujourd’hui et on l’appelle aussi modèle atomique actuel simplifié. Il présente l’atome comme une unité divisible comportant des particules positives (protons) et des particules neutres (neutrons), concentrées dans un noyau minuscule et dense, et des particules négatives (électrons) (de masse 2‎ ‎000 fois inferieure de celle du proton sachant que la masse d’un électron est égale au rapport de la masse d’un proton sur 2‎ ‎000) évoluant sur des couches électroniques.

La masse du proton est égale kg. Le noyau d’un atome en comporte . La masse du neutron est égale kg. Le nombre total de particules dans le noyau (protons et neutrons) est noté . Le noyau est donc constitué de protons et de neutrons. Le noyau est constitué de protons et de neutrons selon une loi bien simple ; il doit y avoir autant de protons que d’électrons en orbite autour du noyau pour que la charge électrique de l’atome soit nulle.

Document : L’existence de neutron

Exploitation

1. Comment les chimistes ont-ils établi une telle structure et quel est son intérêt ? 
2. De quoi est composé un atome ? 
3. Que contient son noyau ? 
4. Comment est appelée la particule non chargée contenue dans le noyau ? 
5. Que peut-on dire des masses du proton et du neutron ? 
6. Calculer la masse d’un électron.
7. Pourquoi dit-on que la masse de l’atome est concentrée dans son noyau ? 

2. Conservation de l’élément cuivre

Dans l’Univers, il y a des éléments qui se conservent après avoir subit plusieurs transformations. On peut, par exemple, mettre en évidence la conservation de l’élément cuivre au cours de quelques transformations chimique dans un laboratoire d’un lycée.

Sous quelle forme (atome, ion ou corps composé) se trouve l’élément cuivre au cours de ces transformations ? 

Expérience 1 : Action de l’acide nitrique sur le cuivre

Matériel et produits

1 tube à essai sur un support, 1 pipette graduée de 5,0 mL munie d’un pipetteur, 1 bécher de 50 mL, 1 pince en bois.

0,30 g de cuivre métal en tournure, 1 solution d’acide nitrique à 5,0 mol⋅L⁻¹.

Remarques :

• On donne Ie nom d’élément chimique à l’ensemble des entités chimiques (atomes, ions, etc.) ayant le même numéro atomique .
• Cette expérience dégage un gaz toxique, elle doit être réalisée par le professeur et sous la hotte.

Protocole

1. Introduisons 0,30 g du cuivre métal dans le tube à essai.
2. Versons une petite quantité de la solution d’acide nitrique dans le bécher.
3. A l’aide de la pipette graduée de 5,0 mL munie d’un pipetteur, prélevons 2,0 mL de la solution d’acide nitrique et l’introduisons dans le tube à essai contenant le cuivre sous la hotte.

Exploitation

1. Quel est l’ion responsable de la couleur bleue dans le tube à essai ? 
2. Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Expérience 2 : Formation de l’hydroxyde de cuivre (II)

Matériel et produits

1 tube à essai sur un support, 1 pipette jaugée de 10,0 mL munie d’un pipetteur, 1 éprouvette graduée de 25 mL, 1 bécher de 50 mL, 1 bécher de 100 mL, 1 bécher de 250 mL, 1 filtre à papier, 1 entonnoir, 1 spatule.

1 solution de sulfate de cuivre à , 1 solution d’hydroxyde de sodium à .

Protocole

1. Dans le bécher de 100 mL, introduire 10,0 mL de la solution de sulfate de cuivre.
2. Ajouter environ 20 mL de la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium.
3. Filtrer le précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu.
4. Recueillir le précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu dans le tube à essai.

Exploitation

Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Expérience 3 : Chauffage de l’hydroxyde de cuivre (II)

Matériel et produits

1 bec Bunsen, 1 pince en bois, 1 spatule, 1 coupelle en verre. Précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu dans le tube à essai (Expérience 2)

Protocole

1. Introduire le précipité recueilli dans un tube à essai.
2. Allumer le bec Bunsen en respectant les consignes de sécurité.
3. Chauffer, avec précaution, le tube à essai contenant le précipité. Cesser de chauffer dés que le précipité devient noir. Le solide noir obtenu est appelé oxyde de cuivre II.

Exploitation

Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Expérience 4 : Action du carbone sur l’oxyde de cuivre

Matériel et produits

1 tube à essai, 1 bec Bunsen, 1 pince en bois, 1 spatule, 1 feuille blanche carré, 1 entonnoir. Oxyde de cuivre II obtenu à l’Expérience 3, poudre de carbone.

Protocole

1. Plier la feuille blanche suivant ces diagonales.
2. Mélanger sans perte, sur la feuille blanche, une spatule de poudre d’oxyde de cuivre (II) et environ la moitié d’une spatule de poudre de carbone.
3. A l’aide de l’entonnoir, placer le mélange dans un tube à essai.
4. Chauffer fortement le tube à essai jusqu’à l’apparition de la couleur rouge orangé. On retrouve un métal.

Exploitation

Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Conclusion générale

Représenter l’ensemble des transformations précédentes en complétant le cycle suivant.

3. Analyse des éléments dans l’Univers

Chaque substance présente dans l’Univers serait constituée d’un ou de plusieurs éléments et en quantité variable..

Comment peut-on expliquer leur abondance ? 

Le grand chambardement

Tout aurait commencé par une gigantesque explosion, environ quinze milliards d’années plus tôt. Un grand boum, selon la théorie du « Big Bang »

La naissance de l’Univers, l’instant zéro, reste un mystère. Mais quelques fractions de seconde après s ; le nouveau-né est chétif, moins gros que ça « • », mais a un sacré appétit d’expansion ! Quelque peu fiévreux aussi, des milliards de milliards de milliards de degrés. Enfin une énergie considérable, déjà mise à profit pour fabriquer des particules. (...).

Les premiers noyaux vont se former à partir des neutrons et des protons ; d’abord d’Hydrogène puis de Deutérium et d’Hélium . Après 300‎ ‎000 ans, environ 3‎ ‎000 degrés. Les électrons s’associent aux noyaux pour former les premiers atomes : atomes d’Hydrogène, atomes d’Hélium. C’est à cette époque que l’Hnivers devient transparent : Cela constitue donc la limite extrême d’observabllité.

Ainsi, durant son évolution, une étoile consomme d’abord l’Hydrogène pour le transformer en Hélium. À des températures plus élevées, la fusion de l’Hélium donne de l’oxygène et du carbone qui, à leur tour, seront utilisés pour donner de nouveaux éléments : sodium, néon, phosphore, silicium, etc., jusqu’au fer, qui a le noyau le plus stable et est point final de ce processus de fusion.

Par conséquent, en vieillissant, une étoile s’appauvrit de plus en plus en Hydrogène et s’enrichit en éléments lourds.

La Terre ! 

Puis 10 milliards d’années après le Big Bang, notre soleil et son système planétaire se sont constitués ; il y a donc 5 milliards d’années. Un nuage de gaz qui s’effondre sous l’effet de la gravitation, en son centre notre Soleil, tout autour des grains de poussière qui s’agglutinent et vont donner naissance aux planètes dont la Terre. (...).

• La croûte terrestre, d’épaisseur moyenne 7 km sous les océans, 35 km sous les continents, composée de silice et de silicate double d’sluminium et de métal tel que le sodium, potassium, calcium, magnésium, etc.
• Le manteau (2‎ ‎900 km) composé de silicates ferro-magnésiens
• le noyau (3‎ ‎500 km) composé de nickel, fer et en quantité moindre, de soufre et d’oxygène. Le mouvement du fer liquide dans le noyau serait à l’origine du champ magnétique terrestre, responsable de l’orientation des boussoles. (...)

D’après Bibliographie : 
Sciences et Avenir hors série n62
Sciences et Vie Junior n71

Document : Abondance des éléments dans l’Univers

Exploitation

1. Enoncer les premiers éléments présents dans l’Univers puis les regrouper dans un tableau en précisant leur nom et numéro atomique.
2. Donner à partir du texte les deux éléments les plus abondants dans l’univers et les éléments les plus abondants dans la Terre ? 
3. Comment peut-on expliquer l’abondance de ces éléments au niveau d’une étoile.

Cours

1. Constftuants de l’atome

​

Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et d’un cortège électronique chargé négativement. Un atome est une entité électriquement neutre ; il possède donc autant de charges positives que de charges négatives.

1​.1. Le noyau et ses constituants

Les noyaux sont constitués de particules appelées nucléons qui sont : 

• Les protons chargés positivement ; 
• Les neutrons qui, comme leur nom l’indique, ne portent pas de charge électrique.

1​.2. Les électrons, la charge élémentaire

Exemple : L’atome de carbone possède 6 protons dans son noyau ; il a donc 6 électrons.

1​.3. Notation symbolique d’un noyau

• Le nombre de proton d’un noyau est appelé son numéro atomique. II est noté .
• Le nombre total de nucléons (protons et neutrons) est noté . Le nombre de neutrons d’un noyau est : .

Exemple :  représente un noyau constitué de 14 nucléons dont 7 protons :  et .

1​.4. La masse d’un atome

Exemple : Calculons la masse de l’atome d’azote  : 

Comme et la masse des électrons est négligeable, la masse approchée de l’atome peut être égale à :  (avec et sont respectivement la masse d’un neutron et la masse d’un proton).

2. Éléments chimiques

2​.1. Définition

• Ils (les isotopes) ont le même numéro atomique et correspondent donc au même élément.
• Ils possèdent le même cortège électronique et ont les mêmes propriétés chimiques.
• Ils diffèrent par le nombre de leurs nucléons.

Exemple : 

 ;  et sent des isotopes de carbone. On remarque que ne varie pas mais le nombre de neutrons varie respectivement  ;  et .

2​.2. Conservation de l’élément cuivre au cours des transformations chimiques

Au cours des réactions chimiques, les atomes des éléments se conservent. On les retrouve, combinés différemment, dans les composés obtenus. Aucun élément ne peut apparaitre ou disparaitre au disparaitre dans une réaction chimique.

2​.3. Corps simple et corps composé

Exemples : 

Le solide est un corps composé (Doc. 12.a).

Le cuivre solide, est un corps simple (Doc. 12.b).