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Constitution atomique
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Exercices

1/ Les éléments sont constitués d'un noyau lourd chargé positivement autour duquel tournent des électrons chargés négativement.

Comprendre

atome Lithiuminduction et atomeHistoire de l'atome
Mouvement des électrons

Les électrons sont négatifs et tournent très vite autour du noyau qui est positif, ce qui devrait les en éloigner. En effet, quand on tourne autour de quelque chose, on est attiré vers l’extérieur, c'est la force centrifuge (que les physiciens appellent inertie).
Pour que les électrons continuent leur manège, il faut bien que quelque chose les attire vers le noyau.
C'est la force électrostatique qui tend à rapprocher deux charges de signes opposés. Et comme les électrons sont négatifs et le noyau positifs, ils sont attirés l'un par l'autre.
Les électrons sont donc en orbite autour du noyau comme la Lune l’est autour de la Terre.

Masse de l'atome

L'essentiel de la masse est contenu dans le noyau car il contient deux fois plus de nucléons (constituants du noyau) que d'électrons et surtout parce que les nucléons pèsent mille fois plus lourd que les électrons. Pour connaître la masse d’un atome, il faut donc compter ses nucléons.

Force électrostatique
loi de coulomb

La force prédominante à l’échelle des molécules comme à la nôtre est la force électrostatique (appelée aussi Loi de Coulomb). Elle tend à rapprocher les charges de signes opposés et à éloigner les charges de mêmes signes.

1/ Exercices

Connaître

1/ Qui suis-je? 
(3 mn)

Ma charge est négative et je suis en mouvement autour du noyau.

Je suis l'électron!

Je suis positif et pèse 1000 fois plus lourd qu'un électron.

Je suis le proton, un des composants du noyau!

Je suis constitué d'un noyau et d'électrons gravitant autour.

Je suis l'atome!

Je suis composée d'atomes liés par des électrons.

Je suis une molécule!

Analyse

1/ Pourquoi les électrons tournent ... 
(6 mn)

La force électrostatique fait s'attirer deux particules dont les charges sont opposées et fait se repousser deux particules de charges de mêmes signes. Les électrons sont négatifs et se repoussent donc entre eux.

Quel est le signe de la charge électrique du noyau?

Le noyau est positif car il est composé de protons positifs.

Les électrons sont-ils attirés par le noyau?

Oui car leur charge est négative et que celle des noyaux est positive. La force électrostatique les fait donc s'attirer.

Les électrons tournent très vite autour du noyau, ils devraient être entrainé loin de lui par leur inertie (la force centrifuge).

Pourquoi les électrons ne se collent pas au noyau?

Parce que leur inertie les entraîne vers l'exterieur de l'atome.

Pourquoi restent-ils toujours environ à la même distance du noyau?

Parce que la force qui les attire et leur inertie se compensent.

2/ On reconnait l'élément à son nombre atomique(Z) correspondant au nombre de charges positives dans son noyau.

Comprendre

tableau periodiquebd éléments chimiquestableau périodiquePhotos périodiques

Le noyau est très stable et contient des charges positives(protons) et des charges neutres(neutrons). Il suffit de les compter pour savoir à quel élément on a affaire.Tous les éléments possédant 29 protons seront du cuivre et ceux qui n'en possèdent qu'un seront de l'hydrogène, peu importe le nombre d'électrons.

Tous les atomes qui ont le même nombre de charges positives dans le noyau auront exactement les mêmes propriétés chimiques, il seront donc nommés de la même façon(de l'hydrogène ou du cuivre pour reprendre l'exemple).

Le tableau périodique regroupe tous les éléments découverts et les classe par nombre de protons croissant, c'est à dire par masse croissante. Le tableau commence en haut à gauche et se lit ligne par ligne.
On sait que tous les éléments qui existent sont dans le tableau parce qu'on a découvert l'atome correspondant à chaque nombre de protons.

Analyse

Les orbitales électroniques

Pourquoi entend-on parfois que l'on est tous constitués de poussière d'étoile?
Comment peut-on être sûr qu'on connait tous les atomes qui existent?

2/ Exercices

Connaître

2/ Identité atomique 
(2 mn)

D'après le tableau périodique, cite le nom de l'atome correspondant:

J'ai 1 seul proton.

Je suis l'hydrogène.

J'ai pour nombre atomique: 6

Je suis le carbone.

Z=3 pour moi.

Je suis le Lithium.

Comprendre

2/ Fusion nucléaire 
(5 mn)

La fusion nucléaire est un processus où deux noyaux atomiques légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd.
Cette réaction est à l’œuvre de manière naturelle dans le Soleil et la plupart des étoiles de l'univers.Elle dégage beaucoup plus d'énergie qu'une fission nucléaire et est la réaction à l'origine de la puissance de la bombe H.
Dans la mythologie grecque, le Soleil était personnifié par Hélios.Dans notre Soleil, des tonnes d'hydrogènes fusionnent chaque seconde.

Combien de protons contiennent les atomes d'hydrogènes?

1 chacun

Lorque deux atomes d'hydrogène fusionnent, combien y a-t-il de protons dans l'élément formé ?

1 + 1 = 2 , il y a donc deux protons.

Quel est donc le nouvel élément formé lors de cette réaction?

L'hélium (He) qui a deux protons dans son noyau.

D'où vient son nom?

D'Hélios parce qu'on l'a découvert dans le Soleil avant de le découvrir sur Terre.

3/ Les atomes sont des éléments qui ont autant de charges positives que de charges négatives.

Comprendre

ion hydrogène

Dans certains cas, il n’y a pas le même nombre de protons (charges positives) que d’électrons (négatifs) tournant autour, l’élément sera alors appelé ion. S’il y a autant de protons que d’électrons, l’élément sera appelé atome(cas le plus courant).
Les éléments peuvent donc être soit des atomes, soit des ions.

Charge d'un élément

La charge d'un élément se calcule en comparant le nombre de charges positives(+) et le nombre de charges négatives (-). Comme dans un atome, il y en a autant de chaque, l’atome est neutre(ou nulle).Dans l'atome de carbone, il y a 6 protons(+) et 6 électrons(-).On calcule sa charge en faisant 6(protons) - 6(électrons) = 0. L'atome de carbone est donc neutre

Ions
Ion sodium

Si l'élément n'est pas neutre, c’est à dire qu'il n'a pas un nombre égal de charges positives et négatives, on l'appellera ion. Les ions positifs seront appelés cations et les ions négatifs, anions. On représente les ions par le symbole de leur élément suivi de leur charge en exposant ( Cu2+)
Un ion polyatomique est un ion qui comporte plusieurs éléments.(SO42-) On peut obtenir des ions de plusieurs manières :
En arrachant des électrons (électrostatique)
Par décharge électrique comme dans les tubes fluorescents (« néons »).
En chauffant très fort la matière comme dans les tubes cathodiques des écrans.
Par dissolution de sels dans l’eau.

Formation d'un sel

Analyse

Qu'est-ce qu'une réaction nucléaire?
Pourquoi entend-on parfois que l'on est tous constitués de poussière d'étoile?
Comment peut-on être sûr qu'on connait tous les atomes qui existent?

3/ Exercices

Connaître

3/ Paquet électronique 
(7 mn)

Pourquoi les atomes sont-ils neutres?

Car ils ont autant de protons (charge positives) que d'électrons (charge négative)

L'oxygène possède 8 protons dans son noyau, combien l'atome possède-t-il d'électrons?

Il possède 8 électrons car il a autant d'électrons que de protons.

Le carbone possède 6 protons dans son noyau.

Combien d'électrons possède une molécule de dioxyde de carbone (CO2)?

Elle possède 2 x 8 + 6 = 22 électrons

L'oxygène est très électronégatif(à tendance à attirer fortement les électrons) et il arrive souvent qu'il forme un ion en récupérant deux électrons supplémentaires.

Combien de protons et d'électrons possède l'ion oxygène?

Il possède 8 protons et 10 électrons.

Calcule sa charge globale et donne son symbole.

Il a donc deux charges négatives de plus que de charges positives, il a donc une charge de 2 - et on définira l'ion comme O2-

Comprendre

3/ Famille des Alcalins 
(6 mn)

Les atomes d'hydrogène, de lithium et de sodium ont respectivement 1,3 et 11 électrons.

Combien ont-ils de protons dans leur noyau?

Autant que d'électrons, soit 1,3 et 11 protons

Ces éléments peuvent facilement perdre un électron.

Quels ions forment-ils dans ce cas?

H+,Li+ et Na+

3/ Les ions 
(7 mn)

L’atome de calcium Ca a pour numéro atomique Z=20.

Combien de charges positives contient le noyau de l’atome de calcium ?

Il contient 20 protons de charges positives.

En déduire, après justification, le nombre d’électrons que possède l’atome de calcium ?

L'atome de calcium possède autant d'électrons que de protons,il possède donc 20 électrons.

Au cours d’une réaction chimique, l’atome de calcium perd deux électrons et devient l’ion calcium.

Quelle est la charge dans le noyau de l’ion calcium?

La charge du noyau de l'ion est la même que celle du noyau de l'atome, 20 charges positives.

Quel est le nombre d’électrons que possède l’ion calcium.

Il perd deux électrons: 20-2 = 18. Il lui en reste donc 18.

Quelle est la charge de l’ion calcium?

L'ion calcium possède 20 protons (+) et 18 électrons (-), l'on a donc une charge globale de 2 +

Utilise le résultat précèdent pour écrire la formule de l’ion calcium.

Ca2+

Justifie: l’ion calcium est-il un cation ou un anion ?

L'ion calcium est un cation car il a un charge positive.

Refaire le même exercice mais avec l’atome de chlore Cl, de numéro atomique Z=17, qui gagne un électron et devient l’ion chlorure.

L'atome a 17 protons,17 électrons et l'ion possède toujours 17 protons mais 18 électrons, Cl-

3/ Les ions ne manquent pas de selAnimation 
(5 mn)

Appliquer

3/ Atomogène 
(10 mn)

Année 2150, Thomas utilise son atomogène pour créer des atomes d’argent afin de fabriquer une bague pour sa fiancée.

Lui faudra-t-il en faire beaucoup pour constituer une bague?

Oui car les atomes sont minuscules.

Quel est l’ordre de grandeur (la puissance de dix la plus proche) d’un atome?

Un atome mesure environ 10-10m.

Quel est le nombre de charges positives d’un atome d’argent?

D’après le tableau périodique, il en a 47

Justifier quel sera son nombre d’électrons.

Comme sa charge est neutre, il a autant d’électrons que de charges positives, il a donc 47 électrons.

Il joue avec sa machine et enlève un électron au dernier atome d’argent qu’il a fabriqué.

Donner le nombre de charges positives et négatives de cet élément.

Il a toujours 47 charges positives mais plus que 46 charges négatives.

Comment appelle-t-on cet élément?

C’est un ion argent.

Donner sa formule.

Ag+

Que construirait-il s’il produisait un atome de cuivre , qu’il lui rajoutait une charge positive et qu’il enlevait un électron?

Si on rajoute une charge positive au cuivre, il y en aura 30, on obtiendra donc du Zinc. Si on retire un électrons des 29 du cuivre, il y en aura donc 28, on aura donc un ion zinc qui aura deux charges positives,Zn2+

Analyse

3/ Solution ionique 
(5 mn)

Une solution de nitrate de fer est une solution jaune qui contient des cations fer de formule Fe2+ et des anions nitrate de formule NO3-.

Quelle est la charge de chacun des ions ?

L'ion fer a une charge de +2 et l'ion nitrate de -1.

Donne le nom et le nombre des atomes qui constitue l'ion polyatomique de cette solution

L'ion nitrate contient un atome d'azote et trois atomes d'oxygène.

Quelle doit être la proportion des ions pour respecter l’électroneutralité de la solution, c'est-à-dire que le nombre de charges positives soit égale au nombre de charges négatives ?

Il doit y avoir deux ions nitrates pour un ion fer car 2 x (-1) + 2 = 0

Déduis-en la formule de la solution ionique de sulfate de potassium

Fe2+ + 2NO3-

4/ L'atome est 10 000 fois plus gros que son noyau, l'atome est donc essentiellement constitué de vide.

Comprendre

dimension atomeNanomoléculesTaille de l'atomeConstitution de l'atome

Les électrons tournent tellement vite autour du noyau que l'atome a paru plein aux premiers chercheurs qui l'étudiaient. Mais si on se glisse dans l'espace entre le noyau et les électrons, on s'aperçoit qu'il est constitué de vide. Et cet espace est tellement grand que l'atome est majoritairement constitué de vide.
Pour donner un ordre d’idée :
rayonoxygène = 60 picomètres(pm) =60.10-12m
rayonnoyau oxygène = 3,52 femtomètre(fm)=3,52.10-15m
Rapport = rayonoxygène/ rayonnoyau = 17 000 donc l'atome est 17 000 fois plus gros que son noyau.Si on comparait l'atome à un stade de football, son noyau ferait la taille d'un grain de sable.

4/ Exercices

Comprendre

4/ Un tout petit carbone 
(5 mn)->Calcul /5

rayon du noyau de l'atome de carbone = 3,4femtomètres
rayon de l'atome de carbone = 70 picomètres
1fm=1.10-15m, 1=1.10-12m

Quelle est l'ordre de grandeur (l'arrondi à la plus proche puissance de dix) du noyau et de l'atome de carbone?

rayon de l'atome=70pm~ 100pm ~ 10-10m
rayon du noyau 3,4fm ~ 1fm ~ 10-15m

Quel est le rapport entre les deux rayons?

70.10-12/3,2.10-15= 22.103 Ce résultat est arrondi de sorte à avoir deux chiffres significatifs.

Combien de fois plus grand est l'atome par rapport au noyau?

L'atome est 22 000 fois plus grand que son noyau. On pourra dire que l'ordre de grandeur de la différence de taille est de 10 000

4/ Dans cet atome, il n'y avait...rien?Animation 
(12 mn)
4/ Un peu d'imaginaire... 
(8 mn)->Proportionnalité /4

Le rayon du noyau est environ 10 000 fois plus petit que celui de l’atome. Pour mieux se rendre compte de ces dimensions, imaginons que le noyau d’un atome ait la taille d’un ballon de basket dont le rayon est à peu près égal à 30cm.

A quelle distance va être équivalente le rayon de l’atome si son noyau fait 30cm.

0,3m x 10 000= 3 000m = 3km

Les électrons sont considérés comme étant mille fois plus petit que le noyau.

Dans cette analogie, ont-ils plutôt la taille d’une balle de tennis, d’une pièce ou d’une puce ?

Ils mesureraient 1000 fois moins que 30 cm c'est à dire 0,3 mm, donc la taille d'une belle puce.

Imagine l’atome ainsi constitué, par quoi est occupé l’essentiel de son volume ?

Par rien, par du vide. Des puces qui tournent à une vitesse phénoménale à 3 km d'un ballon de basketball n'arriveront pas facilement à remplir autant d'espace.


Projets

De quoi sont composés les protons et les neutrons? (30 mn)

Les composants des protons et des neutrons ont-ils la même masse?

Mots-clefs: quark up et quark down

A quoi sont du les charges différentes charges des protons et des neutrons?

Faire l'addition des charges des différents composants pour le savoir.

Comment expliquer que les protons restent ensembles? (30 mn)

D'après la loi de Coulomb, les protons s'attirent-ils?

Comment s'appelle la force qui les maintient réunis?

Mot-clef:interaction forte

Constitution du sel... (45 mn)

De quels élément est constitué le sel de table?

De quelles familles font-ils partie?

Quel est l'élement le plus électronégatif des deux?

Eléments et électronégativité

Pourquoi dit-on que le sel est un cristal ionique?