Chapitre 4. Les éléments chimiques présents dans l’Univers

4.1. UN MODÈLE DE L’ATOME

a) Les modèles de l’atome dans l’histoire Le modèle de Démocrite (460 – 370 av. J.-C.) • • • La matière est constituée de petits « grains » indivisibles appelés atomes A-tomos = in-sécable Les atomes ont diverses formes , ce qui explique la diversité de la matière

Le modèle d’Aristote (384 – 322 av. J.-C.) • La matière est constituée de 4 éléments : - Le feu - L’air - La terre - L’eau

Le modèle de Dalton (1766 – 1844) • L’atome est une sphère pleine de matière

Le modèle de Thomson (1856 – 1940) • • Découvre l’électron, une particule chargée négativement L’atome est une sphère chargée positivement parsemée d’électrons en mouvement. L’ensemble est électriquement neutre

Expérience de Rutherford

Modèle de Rutherford

• l’atome est constitué d’un noyau chargé positivement autour duquel les électrons sont en mouvement

b) L’atome

• Constitué :  d’un noyau ( association de protons et de neutrons)  de électrons (autour du noyau)

La charge électrique

La charge électrique

• Les types de charges :  Positives  Négatives • La charge électrique élémentaire  La charge portée par le proton  Notée e=1,6x10 -19 C • La charge électrique du noyau  Q=Ze

• • • • • La cohésion de l’atome Le numéro atomique (Z) Le nombre de masse (A) Les nucléons Symbole de l’atome

Applications: 1/p.65

• À la maison :2/p.65

Application : 3/p.65

• À la maison : 4,5/p.65

c) Élément chimique et isotopes

• • • • L’élément chimique – Est caractérisé par son numéro atomique Z Les isotopes – Sont des noyaux qui ont le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent (même Z, mais des A différents) Les isotopes ont les même propriétés physiques et chimiques Exemple : les isotopes de l’élément hydrogène

Application : 9/p.65

• À la maison : 10/p.65

d) La masse d’un atome

• • La masse  M atome = (A-Z)m n +Z.m

p +Z.m

e  m n =la masse du neutron  m p  m e =la masse du proton =la masse de l’électrons La masse approchée  M approchée =A.m

nucléon

Application : 6/p.65

4.2. LE NUAGE ÉLECTRONIQUE

a) Le nuage électronique

• • • Les couches électroniques  Les électrons d’un atome sont répartis sur des couches électroniques Noms des couches  K,L,M Nombre maximal d’électrons sur chaque couche  2n 2  n=le nombre de la couche (n=1 pour la couche K, n=2 pour la couche L….) • Structure électronique  La répartition des électrons dans les différentes couches

Application : 1/p.80 (1., 2.)

• • Couche externe, électrons de valence  C’est la dernière couche occupée  Elle contient des électrons appelés « de valence » et qui sont les seuls impliqués lors des réactions chimiques Couches internes, électrons de cœur  Toutes les autres couches de l’atome  Elles contiennent les électrons dits « de cœur »

Application : 1/p.80 (3.)

• • • • b) La structure électronique des gaz nobles Les gaz nobles  Sont les éléments situés dans la dernière colonne du tableau périodique: He, Ne, Ar, Kr, Rd  Sont des éléments remarquablement stables ( ne donnent pratiquement pas de réaction chimique) He (Z=2): K 2 Ne (Z=10): K 2 L 8 Ar (Z=18): K 2 L 8 M 8

• • Conclusion : – les gaz nobles ont une couche électronique externe contenant 2 électrons (un duet) ou 8 électrons (un octet); – cette structure explique la stabilité particulière des gaz nobles Les autres éléments : – ne sont pas stables – Lors des réactions chimiques perdent ou gagnent des électrons afin d’acquérir la structure électronique externe du gaz noble le plus proche – Ils se transforment en ions

Application: 3/p.80

c) Les ions monoatomiques

• • Ion = atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ( au maximum 3) Types : – Les cations = ions positifs (atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons) – Les anions = ions négatifs (atomes qui ont gagné un ou plusieurs électrons)

Application : 2/p.80

• À la maison : 4/p.80

4.3. LE TABLEAU PÉRIODIQUE

Le tableau de Mendeleiev

• • 1869 : propose une classification des 63 éléments chimiques connus à partir des similitudes de comportement chimique Les éléments sont classés par masse atomique croissante

La classification actuelle

• • Par numéro atomique Z croissant Met en évidence les comportements chimiques similaires des éléments lorsque Z croît

Exemple : les 3 métaux Li, Na, K • • • • Ils sont moins denses que l’eau Ils sont mous Ils possèdent une température de fusion basse Ils réagissent avec l’eau et donnent des hydroxydes solides, blancs, translucides et corrosifs • • • 2Li+2H 2 O -> 2LiOH+H 2 2Na+2H 2 O -> 2NaOH+H 2 2K+2H 2 O -> 2KOH+H 2

Exemple : Mg, Ca, Sr, Ba • • • • • Ils s’enflamment de façon violente en présence de O 2 pour former des oxydes cristallins 2Mg+O 2 -> 2MgO 2Ca+O 2 -> 2CaO 2Sr+O 2 -> 2SrO 2Ba+O 2 -> 2BaO

Exemple : F, Cl, Br, I • • Aux température et pressions usuelles ils sont présents sous forme moléculaire : F 2 , Cl 2 , Br 2 , I 2 Ils s’associent avec Na pour former des solides • • • • 2Na + F 2 -> 2NaF 2Na + Cl 2 -> 2NaCl 2Na + Br 2 -> 2NaBr 2Na + I 2 -> 2NaI

• • Le tableau périodique a une structure en lignes et colonnes (groupes) Tous les éléments possédant une réactivité analogue (même types de réactions chimiques) se trouvent dans une même colonne

La famille des alcalins (colonne 1)

La famille des halogènes (colonne 17)

La famille des gaz nobles (colonne 18)

• • La classification périodique est reliée à la structure électronique des éléments Application : donner la structure électronique des 3 premières lignes

• Tous les éléments ont le même nombre d’électrons sur leur couche électronique externe • Tous les éléments d’une colonne donnent le même type d’ion