|
CHIMIE 100 : THÈME 2
Atomistique et tableau périodique
Professeur: René-Yves Hervé
|
PARCOURSPÉDAGOGIQUE
I. RESSOURCES
|
Notes de cours, parcours pédagogique, questions du devoir-UEL et questions du devoir-NC.
|
|
RESSOURCE «UEL» # 2 SUR LA MÉCANIQUE QUANTIQUE
Cliquer sur «RESSOURCE UEL» : la fenêtre de présentation des structures microscopiques s’ouvre.
Cliquer sur «apprendre», «Introduction à la mécanique quantique», «L’arrière-plan classique», «A l’aube du vingtième siècle» et «La matière».Avant de commencer la navigation dans cette activité fort intéressante, il est recommandé d’avoir entête les cinq questions du devoir.
|
|
Schémas dynamiques sur l’atomistique et la classification périodique.
|
II. TEMPS PRÉVU : 5 HEURES
III. DÉROULEMENT DES ACTIVITÉS
|
Réaliser l’activité UEL sur les systèmes cristallins.
|
|
Répondre aux questions portant sur l’activité UEL et expédier le devoir.
|
|
Répondre aux questions portant sur les notes de cours et expédier le devoir.
|
|
Compléter le schéma dynamique du thème.
|
|
Répondre aux questions portant sur le schéma dynamique et expédier le devoir.
|
|
|
|
Répondre aux questions du quiz et du test d’évaluation du thème.
|
NOTES DE COURS
1. THÉORIE ATOMIQUE
1.1) PREMIÈRES DÉCOUVERTES
En 445 avant Jésus-Christ, LEUCIPPE enseigne déjà que la matière ne peut pas se diviser à l'infini et il introduit le mot «ATOME». Vingt-deux ans plus tard, DÉMOCRITE approfondit ces idées, en considérant que la matière et l'être étaient formés d'une infinité d'atomes. Les précurseurs de la théorie atomique insistaient sur une idée fondamentale, celle de la discontinuité de la matière. Avec ARISTOTE, ils rencontrèrent leur premier antagoniste, puisque environ soixante-dix années plus tard, ce célèbre philosophe s'érigeait contre cette théorie en soutenant que l'être possédait une structure continue.
11.1) THÉORIE DE DALTON
Pendant plusieurs siècles, le monde ignora la matière, ou du moins sa structure. Il fallut attendre le dix-neuvième siècle, avec DALTON. Vers 1800, ce célèbre savant anglais remarqua que les lois de la chimie s'expliquent simplement en distinguant les corps simples ou éléments qui contiennent un type d'atomes et les corps composés qui renferment des assemblages d'atomes, les molécules.
En 1805, DALTON proposa le premier modèle atomique que l'on peut résumer en quatre points:
• Tout corps est composé de substances indivisibles: les atomes.
• Les atomes d'éléments identiques possèdent les mêmes propriétés.
• Les atomes d'éléments différents ont des propriétés différentes.
• Les composés se forment à partir de la combinaison d'atomes différents.
11.2) LES CHARGES ÉLECTRIQUES
Une tige de verre frottée avec de la laine attire de petits morceaux de papier. Les deux corps ont été électrisés par frottement et sont porteurs de charges électriques. Le verre s'est chargé positivement : il perd des électrons. La laine s'électrise négativement : elle capte des charges électriques. L'électron est la plus petite charge électrique. Par convention, on l'a choisie négative. Dans le système international, la charge électrique se mesure en coulombs. La plus petite charge électrique ou charge élémentaire est égale à la charge d'un électron: e = 1,6 x 10-19 C.
Il est possible de dresser une liste des matériaux selon la force décroissante avec laquelle ils attirent les charges négatives. Nous obtenons une série électrostatique: Caoutchouc --> Ébonite --> Polyéthylène --> Coton --> Laine --> Verre --> Acétate Quand on frotte le polyéthylène avec la laine, le polyéthylène se charge négativement et la laine se charge positivement.
Les métaux sont conducteurs: les charges électriques qui apparaissent sur un conducteur se déplacent. Sur le plastique, les charges restent immobiles: c'est un isolant. Toute substance électriquement neutre doit contenir les deux espèces d'électricité en quantités égales. Électriser un corps c'est faire apparaître un excédent de charge en certains points de ce corps. Une tige (métal ou isolant) touche la sphère isolante d'un pendule : approchons une tige d'ébonite chargée négativement. Si la tige est un isolant, l'électrisation par contact dépose des charges négatives qui restent immobiles à l'endroit du contact; avec une tige métallique, les charges se déplacent jusqu'à l'autre extrémité, chargent par contact la boule du pendule qui est alors repoussée.
Un électroscope est un appareil constitué d'une tige métallique reliée à un plateau et à deux tiges métalliques. Si nous approchons du plateau ne tige d'ébonite, nous constatons que les deux tiges métalliques s'écartent: le plateau s'est électrisé positivement par influence et les deux tiges se sont électrisées négativement.
Un corps isolant ne peut pas être électrisé par influence puisque les charges électriques ne peuvent pas se déplacer; au contraire, si le corps est conducteur, une charge déposée à la surface se répandra sur toute cette surface: un conducteur peut s'électriser par influence.
La loi de Coulomb étudie la force électrique qui s'exerce entre deux charges.
Deux charges de même signe se repoussent.
Deux charges de signes contraires s'attirent.
La force électrique, qui s'exerce entre deux charges, est proportionnelle aux charges en présence et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.
Pour produire un faisceau d'électrons, on utilise un tube cathodique. Les métaux sont en général de bons émetteurs d'électrons. Dans un tube où l'on a fait le vide, on produit un champ électrique intense entre deux électrodes.
La cathode émet des électrons qui sont attirés par l'anode. Entre les deux électrodes, il se forme un faisceau d'électrons ou faisceau cathodique. Cette expérience fut réalisée pour la première fois par CROOKES et PERRIN.
Un faisceau électronique est rigoureusement invisible. Lorsqu'il reste un peu de gaz résiduel, il s'illumine sous l'effet des électrons. On peut rendre aussi le faisceau cathodique visible en plaçant un écran fluorescent sur son passage.
En 1909, MILLIKAN mesura les charges électriques d'une goutte d'huile, qui restaient en équilibre sous l'effet de deux forces égales et de signes contraires, la force électrique et la force de gravitation.
Toutes les charges prises par les gouttes d'huile étaient des multiples d'une charge élémentaire, la charge de l'électron.
11.3) LA RADIOACTIVITÉ
En 1895, ROENTGEN observa avec le tube de CROOKES d'autres rayons. Ces rayons n'étaient pas déviés par un champ électrique, comme le sont les particules positives ou négatives. Ils possédaient en plus la propriété de pouvoir traverser la matière opaque. Il les nomma «Rayons X.
En 1898, Pierre et Marie CURIE découvrent que le radium émet trois sortes de rayonnements:
- Des rayons qui sont attirés par une plaque chargée positivement : les rayons béta qui sont des électrons.
- Des rayons qui sont attirés par une plaque chargée négativement : les rayons alpha qui sont des charges électriques positives.
- Des rayons qui ne sont pas déviés par un champ électrique et qui sont analogues aux rayons X : ce sont les rayons gamma.
1.2) MODÈLE ATOMIQUE DE THOMSON
À la suite des expériences de CROOKES et de PERRIN, THOMSON mit en évidence l'électron vers 1897. En même temps, il proposa un modèle atomique, plus avancé que celui de DALTON, et surnommé «le gâteau aux raisins ». L'atome est constitué de matière chargée positivement, à l'intérieur de laquelle des électrons y sont incrustés, comme les raisins dans un gâteau.
La somme des charges négatives est égale à la charge positive de la matière dans laquelle elles sont incrustées.
1.3) MODÈLE ATOMIQUE DE RUTHERFORD
Y-a-t-il du vide dans la matière? La réponse à cette question fut apportée par le célèbre savant anglais, RUTHERFORD. Il bombarda une feuille d'or avec des particules a et observa qu'un faisceau de particules a initial (1) donnait naissance à trois sortes de rayons émergents :
- des particules alpha fortement déviées (2) ;
- des particules alpha faiblement déviées (3) ;
- des particules alpha non déviées (4).
Cette expérience permit à RUTHERFORD de déduire que l'atome n'était pas massif : la feuille d'or est essentiellement vide, puisque certaines particules (4) ne subissent aucune déviation. Le fait que d'autres particules soient fortement déviées (2) ou faiblement déviées (3) nous incite à penser qu'il existe à l'intérieur de l'atome des régions à forte densité de matière (2) et d'autres à faible densité de matière (3). À la suite de sa célèbre expérience RUTHERFORD conclut avec certitude que la matière était constituée essentiellement par du vide : il prouva l'existence du noyau de l'atome. Les particules fortement déviées (2) rebondissent sur le noyau de l'atome d'or. Les particules faiblement déviées (3) heurtent le noyau et sont déviées à droite ou à gauche. Enfin certaines particules (4) passent assez loin du noyau pour ne pas en subir l'influence.
L'expérience de Rutherford a mis en évidence la présence du noyau atomique.
Le noyau atomique est positif : il renferme des charges électriques positives ou protons.
Les électrons gravitent autour du noyau. Comme l'atome est électriquement neutre, le nombre de protons dans le noyau est égal au nombre d'électrons autour du noyau.
La théorie atomique de la matière venait de faire un grand pas. Cependant RUTHERFORD ne montrait pas comment les électrons se déplaçaient autour du noyau. Il fallut attendre Niels BOHR pour compléter cette ébauche.
1.4) MODÈLE ATOMIQUE DE BOHR ET RUTHERFORD
Le modèle de RUTHERFORD laissait en suspens une grande question. Le noyau de l'atome étant infiniment petit, les protons devraient se repousser avec une force très grande, conformément à la loi de COULOMB. Comment expliquer dans ces conditions la cohésion du noyau ? Le problème a été résolu par CHADWICK. Il découvrit une nouvelle particule à l'intérieur du noyau, non chargée électriquement, et ayant sensiblement la même masse que le proton: le neutron. Ces particules sont responsables d'interactions qui créent des forces très supérieures aux forces électriques, qui devraient normalement repousser les protons. Selon BOHR, les électrons sont répartis autour du noyau sur plusieurs niveaux d'énergie. Dans son état fondamental, tout atome est électriquement neutre. Les protons chargés d'électricité positive sont dans le noyau: un proton a une charge électrique égale à +1, soit une charge élémentaire (+ 1,6 x 10-19 C). Les électrons, en nombre égal à celui des protons, se déplacent autour du noyau sur des niveaux d'énergie définis (couches K, L, M, N): un électron a une charge électrique égale à -1, soit une charge opposée à la charge élémentaire (- 1,6 x 10-19 C). La charge élémentaire est la plus petite charge que l'on connaisse; elle fut déterminée par MILLIKAN : e = 1,6 x 10-19 C. À l'intérieur du noyau on retrouve plusieurs particules appelées nucléons: le proton et le neutron. Leur masse est sensiblement la même. Pour exprimer ces très petites masses, on utilise l'unité de masse atomique (u.m.a.) qui représente la douzième partie de la masse d'un atome de carbone. C’est dans le noyau de l'atome que se trouve concentrée pratiquement toute la masse, et pourtant il n'occupe qu'une partie infime du volume atomique. Si l'atome avait les dimensions du Stade olympique, les dimensions du noyau ne dépasseraient pas celles d'une coccinelle.
1.5) Structure de l'atome selon la mécanique quantique
Selon la mécanique quantique, la structure de l'atome repose sur les principes suivants:
• Le noyau atomique contient des neutrons et des protons; ces particules sont elles-mêmes constituées de quarks. Le numéro atomique est égal au nombre de protons dans le noyau. Les isotopes d'un même élément ont le même nombre de protons mais ils ont des nombres de neutrons différents.
• Les électrons sont situés sur des niveaux d'énergie discontinus à l'extérieur du noyau atomique: les niveaux d'énergie les plus bas sont les plus rapprochés du noyau atomique. Le nombre de niveaux d'énergie correspond généralement au numéro de la période: couche K pour le premier niveau, couche L pour le deuxième niveau, couche M pour le troisième niveau, etc.
• Les nombres maximaux d'électrons sur les trois premiers niveaux d'énergie sont: 2, 8, 18.
• L'état le plus stable d'un atome porte le nom d'état fondamental et il correspond au remplissage des niveaux d'énergie les plus bas. Ainsi dans son état fondamental, l'atome de magnésium a 2 électrons sur le premier niveau, 8 sur le deuxième niveau et 2 sur le troisième niveau.
• Les électrons du niveau le plus élevé sont les électrons de valence utilisés pour créer les liens chimiques entre deux atomes. Ainsi l'azote a 5 électrons de valence.
Pour décrire un électron, il faut utiliser quatre nombres quantiques:
• Le nombre quantique principal (n) qui indique le niveau d'énergie: 1 pour le premier niveau, 2 pour le deuxième niveau, etc... Le plus grand nombre possible d'électrons ayant «n» comme nombre quantique principal est «2n2»: 2 électrons sur le premier niveau, 8 électrons sur le deuxième niveau, 18 électrons sur le troisième niveau, etc.
• Lenombre quantique secondaire (L) qui caractérise la forme de l'orbitale. Ce nombre est associé aux sous-niveaux, sur lesquels les électrons sont regroupés par paires pour donner des orbitales. Il prend toutes les valeurs entières comprises entre 0 et n-1: électron s pour L =0, électron p pour L =1, électron d pour L =2, électron f pour L =3.
• Lenombre quantique magnétique (m) caractérise les orientations des orbitales d'un sous-niveau. Il prend toutes les valeurs entières comprises entre - l et + l et définit ainsi le nombre d'orbitales se trouvant sur chaque sous-niveau. Lorsque le nombre quantique secondaire vaut 1, le nombre quantique magnétique prend trois valeurs entières: -1, 0 et + 1, ce qui définit par conséquent trois orbitales différentes sur le sous-niveau «p».
• Lespin caractérise la rotation de l'électron sur lui-même: les deux électrons d'une même orbitale diffèrent par le spin.
Selon le principe d'exclusion de PAULI, les électrons d'un même atome diffèrent toujours par au moins un nombre quantique.
1.6) STRUCTURES ATOMIQUES DE QUELQUES ATOMES
L'atome d'hydrogène est formé d'un noyau, qui renferme un proton, et d'un électron qui tourne autour du noyau sur la couche K, premier niveau d'énergie. La masse de l'atome d'hydrogène est : mH = mp + me L'atome de carbone est formé d'un noyau, qui renferme six protons et six neutrons, et de six électrons, qui tournent autour du noyau ( deux sur la couche K et quatre sur la couche L).La masse de l'atome de carbone est : mC = 6(mp + me) + 6 mn L'atome de sodium est formé d'un noyau, qui renferme onze protons et douze neutrons, et de onze électrons, qui tournent autour du noyau ( deux sur la couche K, huit sur la couche L et un sur la couche M).
La masse de l'atome de sodium est : mNa = 11(mp + me) + 12 mn
1.7) LA RADIOACTIVITÉ
La radioactivité est la propriété que possèdent certaines substances d'émettre des radiations. C'est en 1896 que BECQUEREL découvrit l'émission des rayonnements par l'uranium. En 1898, Pierre et Marie CURIE découvrent le radium et mettent en évidence les trois rayons qu'il émet. Parmi eux, deux (alpha et béta) sont formés de particules matérielles, alors que le troisième (gamma) est de nature ondulatoire. L'isotopie est l'existence, pour un même élément, d'atomes qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons contenus dans leurs noyaux. Les isotopes d'un même élément ont les mêmes propriétés chimiques, mais ils possèdent des propriétés physiques différentes. On comprend facilement, par exemple, que plus le nombre de neutrons augmente, et plus la masse volumique sera grande.
|
|
Voici les proportions des différents isotopes de l'oxygène et de l'uranium dans l'élément naturel. 99,76 % 0,04 % 0,2 % 0,006 % 0,71 % 99,28 %
L'hydrogène a trois isotopes:
- Celui qui contient un proton et zéro neutron (99,9 % de l'hydrogène naturel).
- Celui qui contient un proton et un neutron : c'est le deutérium (0,016 % de l'hydrogène naturel).
- Celui qui contient un proton et deux neutrons : c'est le tritium (à l'état de traces).
Chaque élément est constitué d'une famille d'isotopes, ceux qui se trouvent dans la nature «les isotopes naturels» et ceux qui sont synthétisés en laboratoire «les isotopes artificiels». Il existe environ trois cent isotopes naturels et mille deux cents artificiels.
1.8) RÉACTIONS DE TRANSMUTATION
Au cours d'une transmutation, le noyau se transforme en un autre, à la suite d'une émission radioactive.
ÉMISSION alpha : Une particule alpha est un noyau d'hélium. Le noyau formé aura deux protons et deux neutrons en moins .Le numéro atomique diminue de deux, et le nombre de masse diminue de quatre.
ÉMISSION DE NEUTRONS: Quand on bombarde des noyaux d'uranium avec des particules a, du plutonium se forme après émission de neutron.
ÉMISSION béta: Une particule béta est un électron. Le nouveau noyau formé aura un proton en plus et un neutron en moins. Ainsi, l'isotope 64 du cuivre se désintègre par émission b: il se forme des atomes de zinc. Le numéro atomique augmente de un, et le nombre de masse reste constant.
RÉACTIONS DE FISSION: Lorsqu'un neutron frappe un noyau lourd, comme l'uranium 235, ce dernier est coupé en deux. Il y a émission de nouveaux neutrons qui peuvent continuer la réaction. Nous obtenons une réaction en chaîne. C'est la réaction qui est réalisée dans la bombe atomique.
RÉACTIONS DE FUSION: Deux atomes légers se réunissent pour donner un noyau plus lourd.
Ainsi le deutérium et le tritium se réunissent pour donner de l'hélium. C'est la réaction qui se passe à l'intérieur de toutes les étoiles. L'énergie libérée au cours d'une réaction nucléaire est calculée par la célèbre équation d'Albert EINSTEIN : E =m.c2
MÉDECINE ET RADIO-ISOTOPES
Les isotopes artificiels résultent de la désintégration de noyaux lourds. Comme leur durée de vie est très brève, ils subissent à leur tour des réactions de transmutation en émettant des rayons alpha, béta et gamma. On les appelle pour cette raison des radio-isotopes. Leur utilisation en médecine est due au fait qu'ils conservent les propriétés chimiques de l'isotope naturel non radioactif. Ils pourront ainsi s'y substituer. Pour localiser une tumeur, on injecte le radio-isotope dans l'organe ou dans les vaisseaux qui l'irriguent. Les atomes du radio-isotope se fixent dans les parties saines. S'il y a une partie malade, elle sera incapable d'avoir des échanges vitaux avec son environnement et elle apparaîtra comme une tache. L'indium 113 et le technétium 99 sont souvent employés avec succès dans ce domaine, pour explorer le cerveau, la glande thyroïde, les poumons, le cœur, la rate et les reins. Lorsqu'une tumeur est localisée, les radio-isotopes peuvent aussi servir à la guérir, en détruisant les cellules malades. Ce sont les rayonnements b qui sont utilisés dans ce domaine. Il faut localiser avec précision la tumeur, car ces rayonnements sont dangereux pour les cellules saines. Une autre application des radio-isotopes est celle de l'isotope 131 de l'iode qui sert à soigner la glande thyroïde.
PRINCIPES DE LA DATATION
Tous les organismes vivants renferment du carbone 14 dans la même proportion que celle qui existe dans l'atmosphère ou dans l'eau. Ce pourcentage est maintenu constant soit par la respiration, soit par la nourriture. Lorsque l'être vivant meurt, l'organisme ne renouvelle plus son carbone 14. Celui-ci subit alors une désintégration radioactive .Pour évaluer son âge, il suffit de doser le carbone 14 restant. On estime la précision de cette méthode à cent ans environ sur la période qui couvre les cinq mille dernières années. Pour les périodes datant de plus de cent mille ans, c'est un isotope radioactif qui permet de dater les échantillons. Et au-delà de deux cents millions d'années, c'est l'uranium 238 qui peut nous aider à établir les âges.
DATES IMPORTANTES
445 av J- C. : LEUCIPPE énonce le mot «ATOME».
427 av J- C. : DÉMOCRITE énonce que l'être est formé d'atomes.
1748 : LOMONOSSOV introduit les méthodes de chimie quantitative, prouvant que tous les corps sont formés de particules indivisibles.
1789 : LAVOISIER énonce le principe de la conservation de la masse.
1803 : DALTON émet l'hypothèse d'un atome sphérique et indivisible.
1811 : AVOGADRO, en étudiant les lois des gaz, introduit la notion de molécule.
1869 : MENDELEÏEV propose une classification périodique des éléments.
1896 : BECQUEREL découvre l'émission de radiations par l'uranium.
1897 : THOMSON découvre l'électron, qui entre dans la constitution de l'atome.
1898 : Pierre et Marie CURIE découvrent le radium et commencent à élaborer les théories de la radioactivité.
1900 : PLANCK formule l'hypothèse de la discontinuité des échanges d'énergie.
1905 : EINSTEIN démontre que la matière peut se transformer en énergie.
1909 : MILLIKAN mesure la charge de l'électron.
1911 : RUTHERFORD découvre le noyau atomique qui contient les protons.
1913 : BOHR prouve que les électrons autour du noyau ne peuvent se déplacer que sur certaines couches électroniques.
1924 : De BROGLIE formule sa théorie de la mécanique ondulatoire, montrant qu'à toute particule matérielle est associée une onde.
1932 : BOTHE, BECKER, CHADWICK et F. JOLIOT-CURIE découvrent le neutron.
1939 : HALBAN et F. JOLIOT-CURIE démontrent que la fission de l'uranium 235 peut conduire à une réaction en chaîne (bombe atomique).
1945 : Lancement de la première bombe atomique sur Hiroshima, qui causa la mort de quatre-vingt mille personnes et en blessa cinquante mille.
|
