1-2 STRUCTURE DE LA MATIÈRE Contenu du chapitre Organisation interne de l’atome Forces internes de l’atome Atomes chargés - ions Électrons libres Classification des matériaux Isolants Semi-conducteurs Conducteurs Déplacement des électrons – courant électrique Sens du courant électrique

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (1) Molecule : la plus petite partie d’une substance pouvant exister à l’état libre et conserver les propriétés de cette substance. Atome : la plus petite particule d’un élément qui possède les caractéristique uniques de cet élément - constituant élémentaire de la matière particules fondamentales: noyau:  neutrons (pas de charge)  protons (charge +) électrons (charge -) Les électrons décrivent des orbites autour du noyau

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (2) Exemples d’atomes: Un électron en orbite autour du noyau 2 électrons Noyau avec un proton Noyau avec 2 protons et 2 neutrons Hydrogène Hélium

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (3) Exemples d’atomes: 2 électrons 2 orbites 2 protons 2 neutrons Hélium

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (4) dans leur état normal ou neutre, tous les atomes possèdent le même nombre de protons que d’électrons les charges positives sont neutralisées par les charges négatives la charge nette de l’atome est nulle

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (5) numéro atomique: le nombre de protons dans le noyau masse atomique: la somme des protons et de neutrons du noyau Exemples: Hydrogène: numéro atomique: 1 masse atomique: 1 Hélium: numéro atomique: 2 masse atomique: 4 Voir tableau

Organisation interne de l’atome; orbites; orbite de valence (6) Les électrons sont repartis sur plusieurs couches et sous couches énergétiques. Le nombre maximal des couches principales est 4. Le nombre maximal des couches intermédiaires est 4. Les couches intermédiaires se trouvent entre la 2e et la 3e couche principale. La couche la plus éloignée du noyau est nommée couche de valence. Le nombre maximal d’électrons sur la couche de valence est 8. D’autan plus grand le nombre d’électrons sur le niveau de valence, d’autan plus stable l’élément.

Forces internes de l’atome il a été démontré expérimentalement que les électrons d’un atome se repoussent, alors que les protons et les électrons s’attirent le noyau étant constitué de nombreux protons, il attire fortement les électrons des orbites les plus rapprochées à mesure que grandit la distance entre le noyau et l’électron en orbite, la force de cohésion diminue jusqu’à un minimum pour la couche la plus éloignée

Atomes chargés - ions si un électron de valence est enlevé d’un atome par l’application de l’énergie  atome avec une charge positive (plus de protons que d’électrons)  ion positif si un atome acquiert un électron supplémentaire dans la couche de valence  atome avec une charge négative (plus d’électrons que de protons)  ion négatif la quantité d’énergie nécessaire pour arracher un électron de valence dépend du nombre d’électrons dans la couche de valence (max. 8) plus il y a d’électrons dans la couche de valence, plus l’atome est stable  il faut plus d’énergie pour libérer un électron Voir schéma

Électrons libres électron libre: électron de valence qui a accumulé suffisamment d’énergie pour s’échapper de l’atome parent très peu retenues par le noyau se déplacent avec très grande mobilité dans les espaces entre les atomes

Classification des matériaux Selon le nombre des électrons sur la couche de valence on distingue 3 catégories de matériaux : isolants semi-conducteurs conducteurs

Isolants Isolants : matériaux qui n’ont pratiquement pas d’électrons libres ont une structure atomique ayant plus de quatre électrons de valence sont utilisés quand on veut empêcher les déplacements d’électrons Exemples: l’air, le verre, la céramique, éléments non-métalliques Voir Phosphore

Semi-conducteurs Semi-conducteurs : matériaux qui dans des conditions normales n’ont pas des électrons libres dans leur structure ont une structure atomique ayant quatre électrons de valence les atomes voisins mettent en commun leurs électrons de valence pour obtenir chacun une couche de valence complète Exemples: le germanium (Ge), le silicium (Si) Voir Si

Conducteurs Conducteurs : matériaux qui peuvent abandonner ou recevoir très facilement des électrons leurs atomes ont entre un et trois électrons de valence Exemples: l’argent (Ag), le cuivre (Cu), l’or (Au), l’aluminium (Al) Voir Ag Voir Au Voir Cu Voir Al

Conducteurs Avantages Inconvénients Ag Cu Au Al Le meilleur conducteur électrique Coût assez élevé Cu Très bon conducteur Malléable Oxydable Au Ne s’oxyde pas Coût élevé Al Poids spécifique réduit Moins bon conducteur que les 3 autres

Déplacement des électrons; courant électrique (1) dans des conditions normales, les électrons libres se déplacent d’une manière désordonnée Mouvement aléatoire des électrons libres dans un matériau

Déplacement des électrons; courant électrique (2) en créant des conditions spéciales (par l’application d’une différence de potentiel à l’aide d’une pile électrique, par exemple) on fournit aux électrons une énergie qui leur permet de se déplacer dans une direction déterminée Les électrons s’écoulent du négatif vers le positif dès qu’une tension est appliquée aux extrémités d’un matériau conducteur

Déplacement des électrons; courant électrique (3) le résultat de l’application des forces externes provoque donc l’accumulation à une extrémité du conducteur d’un excès d’électrons et de l’autre côté l’apparition d’un manque d’électrons (charges positives) courant électrique : déplacement dirigé des charges électriques (électrons libres) dans un conducteur, sous l’influence d’une source d’énergie électrique

Sens du courant électrique (1) le déplacement des électrons s’effectue de la borne négative de la source vers la borne positive à l’extérieure de cette source: c’est le sens réel (électronique) du courant électrique en même temps, le déplacement des électrons provoque un déplacement virtuel des trous (laissés par le départ des électrons) le déplacement des trous s’effectue de l’extrémité positive vers l’extrémité négative, toujours à l’extérieure de la source: ce sens de déplacement est appelé le sens conventionnel (technique) du courant électrique

Sens du courant électrique (2)

Selon leur numéro atomique, les éléments sont organisé dans le tableau périodique.

Atomes chargés - ions

Isolants Phosphore (P) Nombre de protons : 15 Nombre d’électrons : 15 Nombre de couches : 3 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 5

Semi-conducteurs Silicium (Si) Nombre de protons : 14 Nombre d’électrons : 14 Nombre de couches : 3 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 4

Conducteurs Argent (Ag) Nombre de protons : 47 Nombre d’électrons : 47 Nombre de couches : 5 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 18 4e couche : 18 5e couche : 1

Conducteurs Cuivre (Cu) Nombre de protons : 29 Nombre d’électrons : 29 Nombre de couches : 4 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 18 4e couche : 1

Conducteurs Or (Au) Nombre de protons : 79 Nombre d’électrons : 79 Nombre de couches : 6 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 18 4e couche : 32 5e couche : 18 6e couche : 1

Conducteurs Aluminium (Al) Nombre de protons : 13 Nombre d’électrons : 13 Nombre de couches : 3 Nombre d’électrons sur les couches : 1e couche : 2 2e couche : 8 3e couche : 3