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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
De l’échelle macroscopique à l’échelle microscopique
Table des matières
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.
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 » :
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
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 :
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
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.
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.
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:
« cs » pour chiffres significatifs.
Created: 2022-01-02 dim. 13:58