Chim. 01

Structure des Atomes

Cours

Exercices Correction

 

   



I- Existence des atomes.

II- L’atome d’hydrogène.

1)- Structure.

2)- Mouvement des électrons

autour du noyau.

3)- Caractère lacunaire de la matière.

III- La structure des autres atomes.

1)- Dimension des atomes.

2)- Masse des atomes.

3)- Structure des atomes.

4)- Représentation d’un atome.

IV- Les ions.

V- L’élément chimique.

1)- Exploitation du TP chimie N° 1.

2)- Définitions.

3)- Le symbole des éléments chimiques.

4)- Définition de l’élément chimique.

5)- Représentation du noyau d’un atome

ou de l’atome.

6)- Isotopie.

7)- Principe de conservation.

VI- Applications.

1)- Abondance relative des éléments

dans l’Univers.

2)- Exercices :  Correction

a)- Exercices 4 et 5 page 259.

b)- Exercice 15 page 260

c)- Exercices 9 et 10 page 269.

d)- Exercice 11 page 270.

e)- Exercice 15 page 270.

 

I- Existence des atomes.

-  Toute substance, vivante ou inerte, est constituée à partir d’atomes.

-  Ils sont le plus souvent associés les uns aux autres pour former des assemblages plus ou moins complexes.

-  Ils peuvent former des réseaux cristallins (les métaux) ou des molécules (la molécule d’eau).

II- L’atome d’hydrogène.

1)- Structure.

-  L’atome d’hydrogène est formé d’un noyau chargé plus et d’un électron chargé moins.

-  Le noyau de l’atome d’hydrogène est formé d’un proton chargé plus

   Caractéristiques du proton :

-  Masse :          mp = 1,67 × 10 –27 kg                        

-  Charge :        + e = 1,6 × 10 –19 C               

-  La lettre C est le symbole du Coulomb unité de charge électrique

   Caractéristiques de l’électron :       

-  Masse :          me = 9,11 × 10 –31 kg

-  Charge :        e = – 1,6 × 10 –19 C                        

-  e représente la charge élémentaire.

   Conséquences :

-  L’atome d’hydrogène est électriquement neutre.

-  L’électron et le proton portent des charges électriques opposées.

-  La masse du proton est environ 1846 fois celle de l’électron.

-  La masse de l’atome d’hydrogène est pratiquement égale à celle du noyau.

-  On peut négliger la masse des électrons devant celle du noyau.

-  La masse d’un atome est pratiquement égale à celle du noyau.

2)- Mouvement des électrons autour du noyau.

-  L’électron de l’atome d’hydrogène se déplace à grande vitesse et à grande distance autour du noyau.

-  Il n’a pas de trajectoire bien définie.

-  C’est pour cela que l’on parle de nuage électronique.

-  On peut délimiter une région de l’espace autour du noyau ou la probabilité de trouver l’électron est maximale.

3)- Caractère lacunaire de la matière.

-  L’atome d’hydrogène est assimilable à une sphère de rayon :

-  rH ≈ 52,9 pm

-  rH est appelé rayon de BOHR.

-  Le proton est assimilable à une sphère de rayon :

-  rp = 1,2 × 10 –3 pm.

-  Si l’on compare ces deux valeurs, on remarque que l’atome est environ 50000 fois plus grand que le proton c’est-à-dire que le noyau.

-  En le proton et l’électron, il n’y a que le vide.

-  On dit que l’atome d’hydrogène a une structure lacunaire.

-  La matière est essentiellement faite de vide.

III- La structure des autres atomes.

1)- Dimension des atomes.

-  L’atome appartient au domaine de l’infiniment petit.

-  Le plus petit des atomes : atome d’hydrogène : rH ≈ 52,9 pm                    

-  L’un des plus gros : atome de Césium : rCs ≈ 265 pm                     

-  Le rayon des atomes est de l’ordre de 100 pm.

2)- Masse des atomes.

-  Atome le plus léger : atome d’hydrogène :  mH = 1,67 × 10 –27 kg

-  L’un des plus lourd : atome d’uranium : mU = 3,95 × 10 –25 kg

-  Il est environ 240 fois plus lourd.

3)- Structure des atomes.

   Un atome est formé :

-  D’un noyau central très petit chargé plus

-  Entouré d’un nuage électronique chargé moins.

   Le noyau est formé de nucléons :

-  Les protons chargés plus

-  Les neutrons dont la charge globale est nulle

-  La masse des protons est voisine de celles des neutrons.

   Remarque importante :

-  Un atome est toujours électriquement neutre : nombre de protons = nombre d’électrons

4)- Représentation d’un atome.

   Deux nombres suffisent pour caractériser un atome ou le noyau d’un atome.

-  Le nombre de charge ou numéro atomique est noté Z.

-  Il représente le nombre de protons contenus dans le noyau.

-  Le nombre de masse ou nombre de nucléons est noté A.

-  Il représente le nombre de neutrons et de protons contenus dans le noyau.

-  En conséquence le nombre de neutrons que contient le noyau est donné par la relation AZ.

-  Le noyau contient AZ neutrons.

-  Par convention la structure d’un atome est représentée par la notation suivante :

-   

   Pour un atome :

-  Z représente le nombre de protons

-  A représente le nombre de nucléons

-  AZ le nombre de neutrons

-  Z le nombre d’électrons.

    En conséquence, les deux nombres Z et A suffisent pour caractériser le noyau d’un atome ou l’atome.

   L’ensemble des atomes dont le noyau possède le même couple (Z, A) est appelé Nucléide.

   Soit l’atome de numéro atomique Z.

-  La charge électrique portée par le noyau est + Z . e.

-  La charge électrique portée par le nuage électronique est – Z . e

IV- Les ions.

-  Un ion provient d’un atome ou d’un groupement d’atomes ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

-  Un anion (ion chargé moins) résulte de la capture d’un ou plusieurs électrons.

-  Un cation (ion chargé plus) résulte de la perte d’un ou plusieurs électrons.

-  Exemples d’ions monoatomiques :

-  Cl  : L’ion chlorure provient d’un atome de chlore ayant gagné 1 électron.

-  On peut dans ce cas écrire :

Cl  + e    Cl

-  Na+ : L’ion sodium provient d’un atome de sodium ayant perdu 1 électron.

-  On peut donc écrire dans ce cas :

Na  Na+  + e  

-  Lors du passage d’un atome à un ion monoatomique, seul le nombre d’électrons change,

-  Le noyau lui n’est pas affecté.

 

V- L’élément chimique.

1)- Exploitation du TP chimie N° 1.

 

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-  Le cuivre métal est un corps pur simple, alors que l’oxyde de cuivre II, l’hydroxyde de cuivre II…. sont des corps purs composés.

2)- Définitions.

-  Un corps simple n’est constitué que d’un seul élément chimique.

-  Un corps composé est constitué d’au moins 2 éléments chimiques.

-  Un élément chimique est ce qui est commun à un corps simple et à tous ses composés.

-  Exemple :

-  L’élément carbone C.

-  Le graphite : formule C.

-  Le monoxyde de carbone CO.

-  Le dioxyde de carbone CO2.

-  Les ions carbonate CO32–.

-  L’élément carbone est ce qui est commun au graphite (corps simple) et aux corps composés.

3)- Le symbole des éléments chimiques.

-  On dénombre actuellement une centaine d’éléments chimiques.

-  Ils sont représentés par des symboles :

-  En général, la première lette du nom écrite en majuscule.

-  On rajoute parfois une deuxième lettre écrite en minuscule pour éviter les confusions.

-  Exemples :

-  Hydrogène H ; Hélium He ; Carbone C ; Chlore Cl ;

-  Calcium Ca ; Cuivre Cu ; Césium Cs ; Cérium Ce

-  Exceptions :

-  Azote N (nitrium) ; sodium Na (natrium) ; potassium K (kalium) ; tungstène W (wolfram)

-  Or Au (aurum) ; étain Sn (stannum).

-  Cu représente aussi bien l’élément cuivre que le cuivre métal.

4)- Définition de l’élément chimique.

-  Un élément chimique est défini par son nombre de charge, c’est-à-dire par son nombre de protons.

-  Exemple :

-  Un atome isolé, de numéro atomique 29, représente l’élément cuivre sous la forme atomique.

-  Un ion ayant 29 protons dans son noyau représente l’élément cuivre sous sa forme ionique.

-  Un atome ou un ion possédant un nombre de masse différent de 29 n’appartient pas à l’élément cuivre.

5)- Représentation du noyau d’un atome ou de l’atome.

Pour représenter un atome ou le noyau d’un atome,

on utilise le symbole de l’élément correspondant

auquel on ajoute le nombre de masse A et le nombre de charge Z.

-  Notation conventionnelle :

-  Exemples :

6)- Isotopie.

a)-   Définitions :

-  Des atomes sont isotopes si leurs noyaux possèdent

le même nombre de protons

mais des nombres différents neutrons.

b)-  Exemple :

-  On considère les nucléides (Z, A) suivants : (6,12), (6,13), (6,14).

-  On remarque que Z = 6.

-  Cette valeur de Z caractérise l’élément carbone de symbole C.

Atomes isotopes

Composition

d’un morceau

de graphite

98,9 %

1,1 %

Traces

7)- Principe de conservation.

-  Au cours des réactions chimiques, l’élément chimique se conserve.

-  Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme.

 

-  Les éléments présents dans les formules des réactifs doivent se retrouver dans les formules des produits.

-  Il faut placer des coefficients devant chaque formule afin qu’il y en ait le même nombre de part et d’autre de la flèche.

-  Ces coefficients sont appelés : coefficients stœchiométriques.

VI- Applications.

1)- Abondance relative des éléments dans l’Univers.

-  Le nombre total d’atomes de l’Univers est estimé à1078.

-  Abondance des principaux éléments :

Élément chimique

H

He

O

Ne

N

C

Pourcentage atomique

92,7

7,18

0,057

0,022

0,015

0,008

2)- Exercices : Correction

a)- Exercices 4 et 5 page 259.

b)- Exercice 15 page 260

c)- Exercices 9 et 10 page 269.

d)- Exercice 11 page 270.

e)- Exercice 15 page 270.