Les modèles atomiques

Modèles de la matière dans l’antiquité grecque : Les visions de Démocrite et Aristote La matière est discontinue. Les particules sont infiniment petites et indivisibles. Il y a donc « du vide » dans la matière. Il introduit de la notion d’atome (« atomos » veut dire « indivisible »). Aristote … La matière est continue. La matière est divisible à l’infini. Aucun « vide » dans la matière.

Les philosophes grecs Démocrite (460-370 av. J. -C Les philosophes grecs Démocrite (460-370 av. J.-C.) et Aristote (384-322 av. J.-C.) Démocrite Aristote

Modèle de dalton (1808) (le « père » de la théorie atomique) Les atomes sont des sphères pleines, uniformes et indivisibles. 1. La matière est constituée de particules indivisible qu’on appelle « atomes ». 2. Tous les atomes d’un même élément sont identiques. 3. Les atomes d’éléments distincts sont différents. 4. Lors de réactions chimiques, les atomes réarrangent leurs liens pour créer de nouvelles substances.

Le savant anglais John Dalton (1766-1844)

Le modèle de thomson (1897) (modèle « plum-pudding ») Voici les observations de Thomson en lien avec les rayons cathodiques Ces rayons… sont déviés par un champ magnétique alors que la lumière ne l’est pas dévient vers la borne positive d’un champ électrique, ce que ne fait pas la lumière peuvent mettre en mouvement un moulinet (inséré à l’intérieur du tube), ce que la lumière ne fait pas Thomson conclut que le rayon cathodique est constitué de « matière » et que cette matière est chargée négativement

Un champ électrique dévie les rayons cathodiques. un champ magnétique dévie les rayons cathodiques.

Les rayons cathodiques frappent le moulinet et le font tourner.

Modèle de Thomson Ses recherches sur les rayons cathodiques l’amènent à découvrir l’électron, une particule subatomique chargée négativement Il propose un modèle … L’atome est une sphère pleine de charge positive Les électrons, particules de charge négative, sont uniformément répartis dans cette sphère La nature positive de la sphère est électriquement équilibrée par la charge négative des électrons, ce qui contribue à rendre l’atome « électriquement neutre »

Le scientifique anglais Joseph john thomson (1856-1940) http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations- flash/physique-chimie/decouverte-de-l-electron vidéo sur le tube à rayons cathodiques et Thomson

La principale contribution de Thomson à l’évolution du modèle atomique fut de démontrer l’existence de particules négatives dans la matière, prouvant ainsi que l’atome ne pouvait plus être considéré comme une particule indivisible

Le modèle « pain aux raisins » de thomson

La radioactivité À cette époque, on savait déjà que les substances radioactives pouvaient émettre 3 types de rayonnements Les rayons « alpha » : des particules positives (des noyaux d’hélium He2+) Les rayons « bêta » : des particules négatives (des électrons) Les rayons « gamma » : une onde électromagnétique de haute énergie (sans charge)

Expérience de la feuille d’or de Rutherford Son but : obtenir des renseignements sur la position des électrons dans l’atome Son expérience… Il enferme une substance radioactive dans un bloc de plomb et permet aux particules alpha de quitter par une mince fente Il place une mince feuille d’or (estimation : environ 160 atomes d’épaisseur) devant ce bloc, la bombardant ainsi de particules alpha Il place un écran circulaire enduit d’une substance fluorescente autour de la feuille et enregistre les points d’impact (émission de lumière lors d’un impact)

Son montage http://www.educationnumeriquepourtous.com/new/ressources/Ressources/flash_resources/edu_2.swf animation flash

Les résultats attendus Voici ce qu’il pensait obtenir comme observations… La plupart des particules vont traverser facilement, sans être stoppées Quelques particules seront déviées en frôlant un électron

Les résultats OBTENUS Surprise! Quelques particules, pas beaucoup (1 sur 100 000), ont carrément rebondi vers l’arrière Rutherford conclut que ce qui repousse la particule alpha est une particule positive très petite mais très massive La majorité des particules traversent sans déviation Rutherford pense qu’il y a beaucoup de « vide » (grand espace sans matière) dans un atome

Le modèle atomique de Rutherford (1911) 1. L’atome est essentiellement constitué de « vide » 2. Le noyau de l’atome, très petit en comparaison de sa propre taille, est chargé positivement et représente l’endroit où se concentre la quasi-totalité de la matière 3. Les électrons se déplacent au hasard autour du noyau dans un espace beaucoup plus vaste que celui qu’occupe ce dernier

https://www.youtube.com/watch?v=MXumJF JzR8E chambre de Wilson 3min 03 http://www.cea.fr/jeunes/mediatheque/animations- flash/physique-chimie/decouverte-de-la-radioactivite la radioactivité https://www.youtube.com/watch?v=lkHIZZZJ -pM chambre de Wilson 2 min 38 https://www.youtube.com/watch?v=VFVZU2 YwwJ4 chambre de Wilson 1min 01 amazing!! https://www.youtube.com/watch?v=MXumJF JzR8E chambre de Wilson 3min 03 http://www.youtube.com/watch?v=pewTySxf TQk how to make a cloud chamber 5min 7s

Modèle de rutherford Électrons qui circulent dans un vaste espace autour d’un noyau positif minuscule et très compact

Le scientifique néo-zélandais ernest rutherford (1871-1937)

La contribution de niels bohr Les électrons se déplacent sur des orbites électroniques précises (les couches électroniques) Chaque orbite électronique correspond à un niveau d’énergie précis Plus on s’éloigne du noyau, plus le niveau énergétique des orbites augmente

Niels bohr (1883-1962)

Le modèle atomique rutherford-bohr (1913) Ce modèle comprend un noyau, très petit, autour duquel les électrons évoluent sur des orbites imbriquées l’une dans l’autre

Le modèle atomique Rutherford-bohr Contient un noyau avec des particules positives (les protons) uniquement Des électrons qui circulent sur des couches électroniques distinctes tout autour du noyau

le modèle atomique simplifié (1932) Après 1932, suite à la découverte du neutron par James Chadwick, le modèle atomique simplifié les inclut dans le noyau de l’atome Le modèle atomique simplifié tient compte du modèle de Rutherford, de la contribution de Bohr (les couches électroniques) et de celle de Chadwick (l’existence du neutron) On représente l’atome en indiquant le nombre de protons et de neutrons dans le noyau Les couches électroniques (arcs de cercles) avec leur nombres respectifs d’électrons STE

Représentation du modèle atomique simplifié (ou configuration atomique) Dessiner le noyau (exemple avec le carbone 14) Indiquer le nombre de protons et la charge (ex: 6p+) Indiquer le nombre de neutrons et la charge (ex: 8n0) Dessiner les couches électroniques en indiquant le nombre d’électrons sur chacune Ex : Le holmium STE

La configuration électronique (selon le modèle atomique simplifié) C’est la disposition des électrons sur les couches électroniques d’un atome La dernière couche se nomme couche périphérique et elle contient les « électrons de valence »

Les 20 premiers éléments Une couche doit absolument être complétée avant d’utiliser la suivante Les nombres maximaux d’électrons sur les 3 premières couches sont respectivement 2, 8 et 8 Pour le plaisir: http://www.ostralo.net/3_animations/swf/s tructure_electronique.swf

Le numéro atomique Symbolisé par la lettre « Z », il correspond au nombre de protons que contient le noyau d’un atome Tout atome étant électriquement neutre, ceci implique que le nombre d’électrons situés sur ses couches électroniques est toujours égal au nombre de protons contenus dans son noyau Le numéro atomique permet d’identifier un atome Par exemple, le fer possède le numéro atomique 26, ce qui veut dire que chaque atome de fer possède 26 protons dans son noyau (et donc 26 électrons sur l’ensemble de ses couches électroniques)

Le neutron Découvert par le physicien anglais James Chadwick en 1932 Les neutrons n’ont pas de charge électrique, ils sont neutres On les trouve dans le noyau de l’atome Ils seraient en quelque sorte responsables de la cohésion du noyau (ils rendent possible la cohabitation des protons ensemble) Les protons et les neutrons constituent les nucléons

Le monde subatomique en Résumé Particule subatomique Symbole Charge Masse (g) Position dans l’atome proton p+ 1+ 1,672 x 10-24 dans noyau neutron n0 1,674 x 10-24 électron e- 1- 9,109 x 10-28 autour du noyau Note: L’électron est environ 1836 fois moins massif que les 2 autres particules

Le nombre de masse Symbolisé par la lettre « A » Il est égal au nombre de nucléons contenus dans l’atome (dans le noyau, il va sans dire) Il est donc égal à la somme des protons et des neutrons Notation des atomes … 𝑍 𝐴 𝑋 A est le nombre de masse Z est le numéro atomique X est le symbole de l’élément

7 14 𝑁 exemple Numéro atomique (Z) 7 Nombre de masse (A)14 7 protons 7 neutrons (A-Z) 7électrons

Estimation du nombre de masse d’un élément Pour un élément donné, il est possible d’estimer son nombre de masse le plus fréquent en utilisant la masse atomique, arrondie à l’unité près, telle qu’elle apparait dans le bas de sa case dans le TPE Exemple 42 96 𝑀𝑜

LE TABLEAU PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS L’alphabet des chimistes

Le savant russe Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834 - 1907) Premier scientifique à proposer un tableau de classification des éléments chimiques Sa classification était basée sur les propriétés physicochimiques des éléments Il a mis en évidence la périodicité de ces propriétés (leur récurrence à intervalles réguliers) Alors que Mendeleïev classait les éléments selon l’ordre croissant de leur masse atomique, le tableau périodique actuel classe plutôt les éléments selon l’ordre croissant de leur numéro atomique

Une vue d’ensemble du tableau

Ce qu’est le TPE Un répertoire de tous les éléments chimiques connus à ce jour ... dans lequel les éléments chimiques sont classés selon la périodicité de leurs propriétés physicochimiques qui comporte 3 régions … celle des métaux celle des métalloïdes celle des non-métaux

Les 3 régions du TPE Métaux en gris Non-métaux en saumon Métalloïdes en turquoise

Les éléments chimiques TPE interactifs http://www.elementschimiques.fr/?fr/propriet es/chimiques/rayon-covalent http://www.ptable.com/?lang=fr http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/t heorie/tabperiodique.html http://archives.universcience.fr/francais/ala_ cite/expo/tempo/aluminium/science/mendele iev/

Les métaux Brillants Malléables Bons conducteurs électriques Bons conducteurs thermiques Plusieurs réagissent avec les acides Sont tous solides à la température ambiante (25oC), sauf le mercure

Les non-métaux Ternes Cassants Mauvais conducteurs électriques Mauvais conducteurs thermiques Gazeux ou solides à la température ambiante (seul le Brome est liquide) Le Brome

Les métalloïdes Situés de part et d’autre de « l’escalier » servant de frontière Possèdent des propriétés tantôt des métaux, tantôt des métalloïdes http://fr.wikipedia.org/wiki/Galerie_d'%C3%A9l%C3%A9ments_chimiques

Les familles du TPE Les éléments d’une même famille sont regroupés dans une même colonne du TPE Les colonnes sont identifiées par un numéro (1 à 18) et par un chiffre romain associé à la lettre A ou B … le chiffre romain indique le nombre d’électrons de valence de l’élément (sauf pour l’hélium) le nombre d’électrons de valence d’un élément dicte son comportement chimique les éléments qui nous intéressent se situent dans les colonnes IA à VIIIA Les éléments d’une même famille possèdent le même nombre d’électrons de valence des propriétés physiques et chimiques similaires

Les alcalins (famille 1 ou I A) Métaux mous, très réactifs Température de fusion basse Un seul é- de valence Réagissent violemment avec l’eau pour former des composés basiques L’hydrogène, un non-métal n’appartenant à aucune famille, est placé dans la colonne 1 à cause de son unique é- de valence. Il ne partage aucune propriété avec les alcalins http://www.youtube.com/watch?v=O4d4onyFyU c 2min22 réaction avec l’eau (en anglais)

Configuration électronique du potassium

Les alcalino-terreux (2 ou II A) Métaux possédant 2 é- de valence Plus dur que les alcalins Beaucoup moins réactifs que les alcalins Température de fusion plus élevée que les alcalins

Le magnésium

Les halogènes (17 ou VII A) Placés dans l’avant-dernière colonne du TPE Extrêmement réactifs, ils font toujours partie de composés en nature, généralement sous forme de sels Corrosifs et bactéricides, on s’en sert comme désinfectants Ils possèdent tous 7é- de valence On les trouve sous différents états à la température ambiante… gazeux; F et Cl liquides; Br solides; I et At

L’iode

Les gaz inertes (18 ou VIII A) Dernière colonne du TPE Dernière couche électronique saturée (8e- de valence, ou 2e- pour l’hélium) Appelés aussi « gaz nobles » ou « gaz rares » Tous gazeux à la température ambiante Utilisés dans les enseignes lumineuses, les ballons-sondes, l’isolation de fenêtre… Chimiquement très stables, il est extrêmement difficile de les faire réagir avec d’autres éléments

L’argon

Les périodes du TPE Ce sont les 7 rangées du TPE Tous les éléments d’une même période ont le même nombre de couches électroniques À chaque nouvelle période, on remarque une périodicité des propriétés des éléments puisqu’on rencontre toujours des métaux, des métalloïdes et ensuite des non-métaux dans cet ordre

La notation de Lewis (Gilbert Newton Lewis, 1875 - 1946) Puisque le comportement chimique d’un élément est en grande partie déterminé par son nombre d’électrons de valence, on a convenu de représenter un atome en illustrant uniquement ses électrons de valence et en les disposant autour de son symbole Les électrons (des points) sont disposés un à un sur les côtés d’un carré imaginaire qui encadre le symbole de l’élément Il y a un maximum de 2 électrons par côté

EXEMPLES

Le TPE sans les éléments de transition

Les composés ioniques

Les ions Dans la nature, la matière existe principalement sous forme de molécules et non d’atomes individuels; les atomes ont une tendance naturelle à former des composés Les atomes s’ionisent dans le but d’acquérir la configuration électronique du gaz inerte le plus rapproché, cette configuration les rendant plus stables; c’est la règle de l’octet Avant de créer des liens, beaucoup d’atomes deviennent des ions Un ion est un atome ou un groupe d’atomes qui porte une charge électrique résultante non nulle, conséquence d’une perte ou d’un gain d’électrons

Anions et cations Les ions métalliques ont une charge positive puisque les métaux perdent leurs électrons de valence au profit des non-métaux : ce sont des « cations » Les ions non métalliques ont une charge négative puisqu'ils gagnent des électrons cédés par des métaux : ce sont des « anions »

Composés ioniques Un composé ionique forme des ions lors de sa dissolution dans l’eau. Exemple: KCl(s) → K+ + Cl-

Charge des ions La charge d'un ion peut être déterminée par le numéro de la famille à laquelle il appartient Si l’ion appartient aux familles I, II ou III, il sera positif et sa charge sera égale au numéro de sa famille. S'il appartient aux familles V, VI ou VII, il sera négatif et sa charge sera égale à la différence entre 8 et le numéro de sa famille. S'il fait partie de la famille IV, sa charge sera soit de 4-, soit de 4+.