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2DE : CONSTITUTION DE LA MATIÈRE

De l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique

dimanche 2 janvier 2022, par

CONSTITUTION DE LA MATIÈRE

CONSTITUTION DE LA MATIÈRE
De l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique

1. CHANGEMENT D’ÉCHELLE

1.1. À l’échelle macroscopique

  • À l’échelle macroscopique (notre échelle), nous avons caractérisé une espèce chimique à l’aide de paramètres physiques comme :
    • son état physique : solide (s), liquide (l), gazeux (g) à une température \(\theta\) donnée
    • sa masse volumique \(\rho\) ou sa densité d
    • sa solubilité s dans un solvant donné …
  • Exemples :
    • l’espèce chimique « eau » est à l’état liquide à 20°C.
    • La température du fusion de l’espèce chimique fer que manipule le forgeron est \(\theta_{f}\) = 1535 °C.
    • La masse volumique de l’espèce chimique chlorure de sodium (sel de table) est \(\rho\) = 2,16 \(g.cm^{-3}\).

1.2. À l’échelle microscopique

1.2.1. Vers des unités adaptées à la taille des particules :

  • 1 mm = \(10^{-3}\) m ; 1 \(\mu\) m = \(10^{-6}\) m ; 1 nm = \(10^{-9}\) m ; 1 pm = \(10^{-12}\) m ; 1 fm = \(10^{-15}\) m
  • m pour milli ; \(\mu\) pour micro ; n pour nano ; p pour pico ; f pour femto

1.2.2. Entités chimiques

  • On peut définir une espèce chimique comme une collection d’un très grand nombre d’entités chimiques identiques.
  • Entité chimique : atome, ion ou molécule.
    • Atome : Plus petite particule électriquement neutre qui identifie un élément chimique (par le nombre Z de protons dans son noyau)
    • ion : particule chargée - (anion) ou + (cation)
    • molécule : Assemblage électriquement neutre d’au moins deux atomes.

1.2.3. Des structures différentes :

  • À l’échelle microscopique, il y a différents types de structures chimiques s’appuyant sur la notion d’atome :
    • la structure atomique (par exemple le fer : Fe)
    • la structure moléculaire (par exemple l’eau \(H_{2}O\), le saccharose ?\(C_{12}H_{22}O_{11}\)) ;
    • la structure ionique (des composés ioniques) avec des ions positifs appelés cations et des ions négatifs appelés anions (\(Na^{+}\) et \(Cl^{-}\) dans une eau salée par exemple).

1.2.4. Cas particulier des composés ioniques

  • Ce sont donc des corps constitués d’ions + et - liées entre eux par des interactions électriques.

NaCl.png

Figure 1 : Exemple de NaCl : réseau ordonné de cations \(Na^{+}\) et d’anions \(Cl^{-}\)

  • Tout échantilon de matière étant globalement neutre, la somme des charges + des cations est égale à la somme des charges - des anions.
  • Mis en solution dans un solvant comme l’eau, les composés ioniques se dissocient en cations et anions « libérés » :

dissoc.png

Figure 2 : \(NaCl_{(s)}\) (chlorure de sodium) se dissocie dans l’eau en \(Na^{+}_{(aq)}\) et \(Cl^{-}_{(aq)}\)

  • L’électroneutralité globale d’un composé ionique est mise en évidente dans la formule d’un composé ionique :
    • Exemple : \(AlCl_{3}\) est la formule du chlorure d’aluminium. En effet, l’electroneutralité globale impose qu’il se dissocie dans l’eau en 1 \(Al^{3+}_{(aq)}\) pour 3 \(Cl^{-}_{(aq)}\) (Rappel : la somme des charges + des cations est égale à la somme des charges - des anions).

2. MODÈLES ET CONSTITUTION DE L’ATOME

2.1. Un peu d’histoire des sciences. Constituants de l’atome

EvolModelATOME.png

Figure 3 : Modèles successifs de l’atome dans l’histoire des sciences

  • Grâce à Thomson et Rutherford, nous savons que l’atome n’est pas indivisible comme on l’avait pensé avant.
  • L’atome est constitué :
    • d’un noyau chargé positivement
    • entouré d’un cortège d’électrons e- chargés négativement.

2.2. Constitution, écriture conventionnelle d’un noyau

  • Les composants du noyau sont appelés nucléons.
  • Il existe deux sortes de nucléons :
    • les neutrons (de charge nulle, on pourra les noter n)
    • et les protons (de charge +, on pourra les noter p).
  • Écriture conventionnelle d’un noyau :

RepresenNOYAU.png

Figure 4 : Écriture conventionnelle d’un noyau

  • L’élément chimique désigne toutes les entités chimiques qui ont le même numéro atomique Z.

2.3. Constitution d’un atome

    Proton Neutron Électron
  charge \(e = 1,602 \times 10^{-19}\) C 0 \(-e = -1,602 \times 10^{-19}\) C
  • Le coulomb noté C est l’unité de charge électrique.
  • Charge du noyau d’un atome : \(Z \times e\) = Ze
  • Un atome étant toujours électriquement neutre, la charge négative globale -Ze compense la charge positive Ze du noyau.
  • Un atome étant électriquement neutre, on trouve
    • autant de protons p (Z) dans le noyau
    • que d’électrons e- (Z aussi) autour du noyau.
  • L’université du Colorado a créé et mis en ligne une animation qui permet de fabriquer des atomes à partir de leurs constituants :

https://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-atom/latest/build-an-atomfr.html

FabriquonsAtomes.png

Figure 5 : Cas de l’atome de carbone 12 (Modèle de Bohr 1913)

2.4. Tailles et masses d’un atome et de son noyau

  • La valeur de la taille d’un atome est de l’ordre de \(10^{-10}\) m.
  • Celle d’un noyau est 100 000 fois plus petite.

AtomeStructLacunairFoot.png

Figure 6 : Si on modélise le noyau de l’atome par une bille d’un demi millimètre, alors la dimension de l’atome est celle d’un terrain de football. Entre les deux buts : Beaucoup de vide : On parle de structure lacunaire (lacune = vide)

  • Le modèle planétaire de l’atome est fait de « beaucoup de vide » : Expérience de Rutherford de 1911.

Rutherford1911.png

Figure 7 : En 1911, Rutherford bombarde une feuille d’or avec des particules ? (chargées positivement). Certaines (la plupart) traversent la feuille d’or (2), d’autres, plus rarement, sont déviées (1 et 3) ou renvoyées en arrière (4).

  • Voir la vidéo (durée : 50s) :

  Proton Neutron Électron
masse \(m_{p} = 1,6726 \times 10^{-27}\) kg \(m_{n} = 1,6749 \times 10^{-27}\) kg \(m_{e-} = 9,1094 \times 10^{-31}\) kg
masse (en 3 cs)1 \(m_{p} = 1,67 \times 10^{-27}\) kg \(m_{n} = 1,67 \times 10^{-27}\) kg \(m_{e-} = 9,11 \times 10^{-31}\) kg
  • Un proton et un neutron ont quasiment la même masse : \(m_{p} \simeq m_{n}\).
  • \(\frac{m_{p}}{m_{e-}} = \frac{1,67 \times 10^{-27}}{9,11 \times 10^{-31}} \simeq\) 1830.
  • L’électron, lui, est environ 2000 fois plus léger qu’un nucléon (p ou n).
  • Par conséquent, on néglige très souvent la masse des e- devant celle du noyau :

\(m_{atome} \simeq m_{noyau} \simeq A \times m_{nucleon}\).

  • avec :
    • A, nombre de masse, égal au nombre de nucléons.
    • \(m_{nucleon} \simeq m_{p} \simeq m_{n} \simeq 1,67 \times 10^{-27}\) kg.
  • Petite vidéo sympathique (durée 4min58s):

Notes de bas de page:

1

« cs » pour chiffres significatifs.

Created: 2022-01-02 dim. 13:58

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