Vidéo de la leçon : La structure des atomes Chimie

Dans cette vidéo, nous allons apprendre à décrire la structure de l’atome et de quoi sont composés les atomes, et à associer leur taille aux objets de la vie quotidienne.

16:04

Transcription de vidéo

Dans cette vidéo, nous allons découvrir la structure des atomes. Nous découvrirons de quoi sont composés les atomes - protons, neutrons et électrons - et associerons la taille des atomes aux objets de la vie quotidienne. Laissez-moi vous emmener dans un voyage au centre de l’atome. Imaginez que vous avez un morceau de charbon dans la main. Il pèse à peu près la même chose qu’un téléphone portable. À l’intérieur de ce morceau de charbon, il y a environ 10 puissance 25 atomes de carbone. Il y a autant d’atomes. Soit 10 millions de milliards de milliards d’atomes.

Maintenant, imaginons que nous coupons le morceau de charbon en deux parties égales. Chaque partie contiendrait toujours cinq millions de milliards de milliards astronomiques d’atomes. Donc, vous coupez et vous coupez et vous continuez à couper. Si vous avez l’équipement le plus incroyable sur Terre, vous aurez finalement deux atomes. Et avec une coupe finale, vous aurez un seul atome. Maintenant, devinez combien de fois il faudrait couper le morceau de charbon en deux pour obtenir un seul atome. La réponse est environ 83 fois. Cela fait beaucoup d’étapes. Alors revenons un peu en arrière et regardons ce que nous aurions vu en cours de route.

En seulement 10 coupes, nous sommes à l’échelle d’un grain de riz. Mais c’est encore beaucoup d’atomes. À 17 coupes, chaque morceau de charbon est de la taille d’une tête d’épingle. 10 coupes de plus et chaque grain est de la largeur d’un cheveu humain. Alors que cela devient de plus en plus petit, vers la moitié du chemin, nous sommes à l’échelle d’un seul globule rouge. Cela fait 40 coupes. 20 coupes de plus et notre poussière microscopique ressemble aux nanoparticules de dioxyde de titane que vous pourriez trouver dans la crème solaire. À 70 coupes, nous sommes de retour dans le globule rouge, mais cette fois, à l’échelle d’une seule unité d’hémoglobine. Et enfin, après 83 coupes beaucoup plus précises, nous arrivons à l’atome de carbone.

L'atome est le bloc de construction élémentaire des produits chimiques. Si nous allons plus loin, nous entrerons dans le domaine de la physique des particules. Nous allons donc nous arrêter ici. Et pour cet exemple, j’ai supposé que le charbon est constitué à 100 pour cent de carbone. Mais il y a aussi d’autres éléments dedans. Jusqu’à présent, nous avons vu à quel point les atomes peuvent être petits. Mais qu’est-ce qu’un atome? Il existe plusieurs types d’atomes. Mais à un niveau très basique, ils se ressemblent. Au centre, nous trouvons un noyau. Et autour du noyau, nous trouvons un nuage d’électrons. Le noyau est cette chose minuscule au milieu de l’atome. Et le nuage électronique est cette énorme région de l’espace qui l’entoure, où vous pouvez trouver des électrons.

Nous arriverons à ce que sont les électrons dans un instant. Mais exactement quelle est la taille du noyau? Si nous divisons le volume de l’atome entier en deux, tout comme nous coupons le charbon, il faudrait 46 coupes pour arriver à l’échelle d’un noyau. C’est presque autant de coupes qu’il faut pour passer de notre morceau de charbon à la taille d’un globule rouge. Nous pouvons également regarder le noyau en fonction de son rayon. Il est en fait difficile de dire exactement quelle est la taille d’un atome parce que le nuage d’électrons est un peu vague. Mais nous pouvons déterminer à peu près la taille d’un atome en fonction de leur ajustement.

Si nous faisons cela, un atome de carbone a un rayon d’environ 70 picomètres. Un picomètre est 10 puissance moins 12 mètres, ce qui est un millième de milliardième de mètre. Maintenant, c’est incroyablement petit. Mais le noyau est beaucoup, beaucoup plus petit. Le rayon d’un noyau de carbone est d’environ trois fois 10 puissance moins 15 mètres, ou trois femtomètres. Un femtomètre est un millionième de milliardième de mètre. Cela signifie qu’un atome est environ 10 000 fois plus large que son noyau. Donc, le noyau est incroyablement petit et les électrons occupent un volume incroyablement grand en comparaison. Différents types d’atomes ont des tailles de noyaux différentes, et des nombres d’électrons différents. Mais la relation entre la taille des noyaux et la taille du nuage électronique est similaire.

Notre histoire ne s’arrête pas là. À l’intérieur du noyau, nous trouvons deux autres types de particules: les protons et les neutrons. Tout ce que vous devez réellement savoir sur ces particules, c’est qu’elles se collent très fortement les unes aux autres. Donc, le noyau est très difficile à briser. L’autre chose que nous devons comprendre pour nous rendre compte de que sont ces particules subatomiques est une propriété appelée la charge. La charge est une propriété d’une particule qui permet à la particule d’attirer ou de repousser d’autres particules avec une charge. Une particule peut avoir deux types de charge: une charge positive ou une charge négative. Et les particules chargées interagissent entre elles selon le type de charge qu’elles ont.

Si nous avons deux particules avec une charge positive, elles se repoussent mutuellement. Et si nous avons deux particules avec une charge négative, elles se repoussent également. Cependant, si nous avons une particule qui est positive et l’autre particule qui est négative, elles s’attirent. Donc, les charges identiques se repoussent et les charges opposées s’attirent.

Les protons ont un type de charge positif. Ils sont donc chargés positivement, alors que les électrons ont le type de charge opposé, une charge négative. Les neutrons sont relativement peu intéressants à cet égard. Ils n’ont pas de charge globale. Nous les appelons donc neutres. Mais nous voyons une activité importante dans le cas des protons et des électrons. Les protons repoussent les protons, les électrons repoussent les électrons, et les protons et les électrons s’attirent. Les protons et les neutrons sont collés ensemble dans le noyau en raison d’autres forces qui sortent du cadre de cette vidéo. Si ces forces cessent de fonctionner pour une raison quelconque, alors le noyau devrait se décomposer en raison de la répulsion proton-proton.

Une autre chose que nous devons traiter est la quantité de charge des protons et des électrons. Ce que nous savons grâce aux expériences, c’est que les protons et les électrons ont des charges exactement de la même grandeur. Donc, s’il y a un proton et un électron ensemble, leur combinaison agit comme si il n’y avait aucune charge. Donc, nous appelons cette combinaison neutre. Les physiciens mesurent la charge en coulombs, qui est une unité à l’échelle humaine associée aux électrons passant à travers un fil électrique à une certaine vitesse. Mais les chimistes ont tendance à utiliser des nombres plus simples. Nous avons tendance à dire que les protons ont une seule unité de charge positive. Nous disons donc que la charge est un plus. Les électrons ont exactement la même grandeur de charge, simplement négative. Donc, les électrons ont une charge de un moins. Les neutrons sans charge sont censés avoir une charge de zéro.

La charge n’est qu’une propriété qu’une particule peut avoir. Mais les particules peuvent aussi avoir une masse. Si une particule a une masse, elle peut ressentir la force de gravité. Donc, elle peut avoir un poids. La gravité est ce qui nous retient sur la Terre. Si nous utilisons des kilogrammes, la masse des protons, des neutrons et des électrons devient un peu stupide. Nous pouvons donc utiliser à la place des unités de masse atomique unifiées. Une unité de masse atomique unifiée est le douzième de la masse d’un atome de carbone 12, avec six protons, six neutrons et six électrons. Un atome de carbone comme celui-ci a une masse de 12 unités de masse atomique unifiées. Un seul proton a une masse d’environ une unité de masse atomique unifiée. Et un neutron a également une masse d’environ une unité de masse atomique unifiée. Cependant, un seul électron a une masse de seulement 0,00055 unité de masse atomique unifiée.

Pour simplifier, les chimistes écrivent parfois la masse relative des protons, des neutrons et des électrons. Cela revient à peu près à un pour un pour un sur 1840. Cela signifie qu’il faut environ 1840 électrons pour avoir la même masse qu’un proton ou qu’un neutron. C’est pourquoi les chimistes ignorent parfois complètement la masse des électrons. Les protons et les neutrons sont juste beaucoup plus lourds.

Revenons un pas en arrière et regardons l’atome entier. Nous savons que le noyau contient des protons et des neutrons. Les protons sont chargés positivement. Ainsi, le noyau dans son ensemble est également chargé positivement. Les électrons chargés négativement sont donc attirés vers le noyau chargé positivement par la force électromagnétique. Il y a des raisons pour lesquelles les électrons ne se collent pas directement au noyau. Mais elles dépassent le cadre de cette vidéo. Mais vous pouvez toujours être sûrs que les électrons sont attirés par les noyaux. Un noyau chargé positivement, des électrons chargés négativement, c’est facile à retenir.

L’autre chose à retenir est que lorsque nous parlons d’un atome, nous supposons qu’il est globalement neutre, ce qui signifie que le nombre de protons dans le noyau est le même que le nombre d’électrons dans le nuage électronique. L’autre chose à retenir est l’endroit où se situe la masse. Nous avons déjà vu que les électrons sont beaucoup, beaucoup plus légers que les protons ou les neutrons, et que les protons et les neutrons sont dans le noyau. Il devrait donc être évident que la majeure partie de la masse d’un atome est due au tout petit, minuscule noyau. Maintenant que nous avons vu toutes ces informations, entraînons-nous.

Les particules subatomiques peuvent avoir une charge. Quelle est la charge d’un proton? Quelle est la charge d’un neutron? Quelle est la charge d’un électron?

Les particules subatomiques, en général, sont des particules plus petites qu’un atome, bien qu’il y ait quelques exceptions. Mais les trois qui préoccupent généralement les chimistes, sont les protons, les neutrons et les électrons. Dans la représentation la plus simple d’un atome, il y a deux parties : un noyau tout au milieu, et un nuage d’électrons autour de lui. Le noyau contient des protons, et la plupart du temps des neutrons. Ce que la question nous demande de nous souvenir est : quelles sont les charges de ces particules.

La charge est une propriété des particules qui leur permet de s’attirer ou de se repousser. Il existe deux types de charges : positif et négatif. Si deux particules ont le même type de charge, elles se repoussent. Mais si elles ont des charges opposées, elles s’attirent. La chose la plus facile à retenir est qu’un noyau a une charge globale positive. Et les électrons qui sont attirés par le noyau ont une charge négative. À l’intérieur du noyau, ce sont les protons qui portent la charge positive et ce sont les neutrons qui sont neutres. Si vous avez besoin d’aide pour vous rappeler quelles particules ont quelle charge, pensez aux électrons négatifs, aux protons positifs et aux neutrons neutres. Mais nous n’avons pas encore terminé. Nous devons connaître la grandeur des charges, pas seulement leurs signes.

Pour un proton, nous pouvons penser à un ion hydrogène. Un ion hydrogène est constitué d’un seul proton. Et il a une seule charge positive. Donc, espérons-le, cela devrait vous rappeler que la charge d’un seul proton est un plus. La charge d’un neutron est facile à retenir. S’il n’a pas de charge, il a une charge de zéro. Et la charge de l’électron est simplement de la même grandeur que celle d’un proton, mais avec l’autre signe. La charge d’un électron est donc un moins.

Dans la question suivante, nous allons voir comment les charges de ces particules influencent leurs interactions.

Des charges identiques se repoussent via la force électromagnétique. Parmi les paires de particules subatomiques suivantes, lesquelles se repoussent de cette manière? A) Neutrons et électrons, B) Protons et neutrons, C) Neutrons et neutrons, D) Protons et protons, ou E) Protons et électrons.

Il existe deux types de charges : les charges positives et les charges négatives. Lorsque nous voyons l’expression « charges identiques », cela signifie des charges positive et positive, ou, des charges négative et négative. Notre travail consiste à déterminer quelle paire de particules subatomiques se repoussent parce qu’elles ont la même charge. Pour cela, nous devons nous rappeler des charges des neutrons, des électrons et des protons. Les protons ont un p au début. Cela devrait donc vous rappeler qu’ils sont chargés positivement. Les neutrons contiennent déjà la plupart du mot neutre. Cela devrait donc vous rappeler qu’ils n’ont aucune charge. Et enfin, les électrons sont chargés négativement. Il est utile de se souvenir que les protons et les électrons ont des charges égales mais opposées.

Maintenant, pour cette question, nous n’avons pas besoin de nous rappeler combien de charge les protons et les électrons possèdent exactement. Tout ce que nous devons savoir est, s’ils sont chargés positivement, s’ils sont neutres ou chargés négativement. Les neutrons sont neutres; les électrons sont chargés négativement. Et ils n’interagissent pas via la force électromagnétique. Donc, nous ne les verrons certainement pas se repousser. Les protons sont positifs, et comme nous l’avons déjà vu, les neutrons sont neutres. Par conséquent, nous ne devrions pas voir de répulsion due à la force électromagnétique, bien que d’autres forces aident les protons et les neutrons à se lier ensemble. Et quand nous n’avons que des particules neutres, des neutrons avec des neutrons, nous ne verrons certainement pas d’interactions électromagnétiques. Mais nous verrons une répulsion entre des protons et des protons, car ils sont tous deux chargés positivement.

Nous avons donc trouvé notre réponse. Mais vérifions la dernière, au cas où. Les protons sont chargés positivement; les électrons sont chargés négativement. Les charges opposées en fait s’attirent. Ainsi, au lieu de la répulsion, nous verrions les protons et les électrons s’attirer. Par conséquent, sur les cinq paires qui nous ont été données, la seule paire où nous pourrions voir une répulsion due à la force électromagnétique serait les protons et les protons.

Maintenant que nous avons vu quelques exemples et examiné tous les points pertinents concernant les particules subatomiques et la structure des atomes, regardons les points clés. Un atome est l’association d’un noyau dense chargé positivement et de suffisamment d’électrons pour le rendre neutre. Un noyau est le groupe de protons et de neutrons au milieu d’un atome ou d’un ion simple. Les atomes sont constitués de trois types de particules subatomiques, chacune ayant ses propres masses et charges. Les protons ont une charge de un plus et une masse relative de un. Les neutrons ont une charge de zéro et une masse relative de un. Et les électrons ont une charge de un moins et une masse relative de un sur 1840 environ. Enfin, les électrons ont si peu de masse par rapport aux protons et aux neutrons qu’elles sont parfois complètement ignorées.

Nagwa utilise des cookies pour vous garantir la meilleure expérience sur notre site. En savoir plus sur notre Politique de Confidentialité.