Description microscopique de la matière

ACTIVITES

A1. Les entités chimiques.

Certains corps ne conduisent pas le courant électrique, d'autres peuvent et d'autres encore le conduisent très bien. L'électricité fait partie de la vie courante. Elle est transportée par des fils électriques constitués de cuivre.

La matière est-elle constituée des mêmes entités ?

Doc 1 : Définition. Le courant électrique est dû au déplacement de particules chargées au sein d'un corps. Il correspond à une quantité de charges qui circulent par unité de temps. L'intensité d'un courant électrique se mesure en Ampères (A). La charge électrique se mesure en Coulombs (C)..

Doc 2 : Le cuivre à l'échelle microscopique. Une bobine de cuivre métallique Cu Vue d'une surface de cuivre métallique rendue à l'aide d'un microscope à effet tunnel (MET)

Doc 3 : Expérience. Ci-contre, un circuit électrique constitué d'un générateur de tension électrique, d'une cuve à électrolyse et d'un ampèremètre permettant de mesurer l'intensité du courant électrique. Les différents constituants sont reliés à l'aide de fils électriques en cuivre.

Doc 5 : Etymologie. Le terme "électricité" a pour racine le mot grec "êlektron" ($\eta \lambda \epsilon \chi \tau \rho \nu$ ) désignant l'ambre jaune, résine fossile de couleur jaune possédant des propriétés électrostatiques. Moustique préhistorique prisonnié dans de l'ambre.

A11. Réaliser.

$\bullet$ Réaliser le montage ci-dessus.

$\bullet$ Compléter la cuve successivement avec chacune des solutions à disposition.

$\bullet$ Mesurer l'intensité électrique et reporter les mesures dans le tableau ci-dessous :

A12. Analyser / Valider.

$\bullet$ Pour chaque montage, décrire chaque composant.

A13. Observer / Valider.

$\bullet$ Pour le dernier montage, observer la surface des électrodes. Expliquer.

$\bullet$ A l'aide du dernier document, et des résultats obtenus avec le saccharose et le cuivre. Expliquer la différence probable entre le comportement de ces deux espèces et tenter d'expliquer.

A14. Conclusion.

$\bullet$ Expliquer la différence vis-à-vis de leur propriété électrique.

A2. L'atome de carbone.

L'existence de l'atome est admise depuis la fin du XIXème siècle. On n'a pu le visualiser qu'à la fin du XXème siècle.

Quels sont les ordres de grandeur de la masse et de la taille d'un atome ?

Doc 1 : Constitùtion de l'atome de carbone. L'atome est constitué : $\bullet$ D'un noyau contenant A particules appelées nucléons : Z protons et des neutrons. $\bullet$ D'un nuage électronique contenant des électrons en mouvement autour du noyau.   Notation conventionnelle : Pour un élément de symbole $X$, on note le noyau $^{A \ }_{Z \ } X$

Doc 2 : L'atome et le tennis. $\bullet$ En assimilant le noyau à une balle de tennis d'un rayon d'environ 3 cm, les électrons se déplaceraient dans une sphère d'un rayon de 2,5 km. $\bullet$ Pour obtenir la longueur d'un terrain de tennis, il faudrait aligner 240 milliards d'atomes.

A21. Analyser.

$\bullet$ En utilisant le lien fourni dans le doc 1., dénombrer les quantités de chaque particule élémentaire constituant l'atome de carbone.

$\bullet$Ecrire la notation conventionnelle de l'atome de carbone.

A22. Raisonner.

A22a. Taille.

$\bullet$ A l'aide du doc 2, déterminer l'ordre de grandeur de la taille d'un atome.

$\bullet$ A l'aide des doc 2 et 4, comparer la taille de l'atome à celle de son noyau.

A22b. masse.

$\bullet$ Déterminer la valeur de la masse du noyau de l'atome de carbone.

$\bullet$ Déterminer la valeur de la masse du cortège électronique de l'atome de carbone.

$\bullet$ Comparer ces deux valeurs et conclure.

A22b. charge.

$\bullet$ Déterminer la valeur de la charge de l'atome de carbone. Expliquer.

A3. La mole, unité de quantité de matière.

Fin de l'année 2018 à Versailles, la conférence générale des poids et mesures a adopté une révision du Système international des unités.

Quelles en sont les conséquences ?

A31. Définition.

Doc 1 : Le système international d'unités (SI). Le système international d'unités compte sept unités de base : $\bullet$ Le kilogramme (kg), unité de masse. $\bullet$ Le mètre (m), unité de longueur. $\bullet$ La seconde (s), unité de temps. $\bullet$ L'ampère (A), unité d'intensité électrique. $\bullet$ Le kelvin (K), unité de température. $\bullet$ La mole (mol), unité de quantité de matière. $\bullet$ La candela (cd), unité d'intensité lumineuse.   Ces unités fondamentales sont toutes définies au moyen de constantes physiques naturelles.

Doc 2 : Le kilogramme. Le kilogramme étalon a longtemps été défini comme étant la masse d'un cylindre constitué de 90 % de platine et 10 % d'iridium de 39,17 mm de hauteur et de même diamètre. Il est reproduit à divers endroits sur Terre afin d'étalonner les balances des industries. Cependant, la reproduction exacte n'est pas exacte. Il existe de différences de masse infimes entre les reproductions. Il a fallu redéfinir le kilogramme afin de se débarrasser de ces différences.

.

Doc 3 : Doc3 : Evolution de la définition de la mole. $\bullet$ Octobre 1971 : La mole est un "paquet" contenant un très grand nombre d'entités chimiques : autant que le nombre d'atomes contenus dans 12,00 g de carbone 12, ($^{12 \ }_{6 \ } C$). $\bullet$ En mai 2019 : La mole, de symbole mol, et l'unité SI de la quantité de matière. Une mole contient exactement $6,0214076.10^{ \ 23}$ entités chimiques. Ce nombre est la valeur numérique fixe de la constante d'Avogadro, lorsqu'elle est exprimée dans l'unité $mol^{ \ -1}$ et s'appelle le nombre d'Avogadro, noté $\cal {N}_a$.   $\cal {N}_a \ = \ 6,02.10^{ \ 23} \ mol^{ \ -1 }$.   Extrait de la classification périodique des éléments

$\bullet$ Pourquoi existait-il une incertitude sur la valeur du kilogramme dans son ancienne définition ?

$\bullet$ Quel problème cela posait-il sur la définition de la mole datant de 1971 ?

$\bullet$ Comment la nouvelle définition de la mole a elle résolu le problème ?

A32. Raisonner.

On donne un extrait la classification périodique des éléments :

A32a. La masse molaire atomique.

$\bullet$ En utilisant les données du doc3 de l'activité préciser où se trouve la valeur utilisée pour la définition de la mole de 1971.

$\bullet$ En utilisant le doc3 de l'activité précédente, rappeler la valeur de la masse de l'atome de carbone.

$\bullet$ Calculer alors le nombre d'entités présentes dans $12,00 \ g$ de carbone 12, $^{12 \ }_{6 \ }C$. Conclure.

$\bullet$ Calculer la masse de l'atome de phosphore $^{31 \ }_{15 \ }P$.

$\bullet$ Calculer le nombre d'entités présentes dans $30,97 \ g$ de phosphore $^{31 \ }_{15 \ }P$.

$\bullet$ Conclure pour tous les éléments de la classification et définir la masse molaire atomique.

A32b. La masse molaire moléculaire.

$\bullet$ Donner la masse molaire atomique de l'hydrogène et de l'oxygène.

$\bullet$ Une molécule d'eau $H_2 O$ étant constituée de deux atomes d'hydrogène $H$ et d'un atome d'oxygène $O$, la masse molaire moléculaire de l'eau est constituée de la masse molaire de tous les atomes la constituant. Calculer la masse molaire moléculaire de l'eau.

$\bullet$ Compléter le tableau ci-dessous :

$\bullet$ Déterminer la quantité de matière contenue dans 1 L d'eau.

Exercices P49 à 53 : 13 ; 14 ; 15 ; 16 ; 17 ; 27 ; 28 ; 29 ; 30 ; 32 ; 43.

Exercices P73 à 77 : 28 ; 31 ; 35 ; 36 ; 45.

COURS

C1. La matière et l'atome.

C11. Définition.

La matière qui nous entoure se présente sous différents aspects. Elle peut être solide, liquide ou gazeuse. Elle est constituée de particules infiniment petites, invisibles à l'œil nu l'atome qui s'associent sa taille est de l'ordre de l'Angström ($ 1 \ \overset{ o }{ A} \ = \ 10^{ \ -10} \ m$) L'atome n'est pas une particule indissociable, il est lui-même formé de particules encore plus petites, les protons, les neutrons se regroupant dans un noyau, lui-même entouré d'un nuage formé d'électrons. Les atomes s'associent pour former des molécules. Les propriétés des corps formés par ces associations sont différentes selon ces arrangements. La matière n'a pas de charge électrique : sa charge électrique est nulle.

C12. Classement.

Chaque atome a des particularités qui lui sont propres.

Au fil du temps, de nouveau matériaux ont été découverts.

Une fois la notion d'atome acquise et reconnue par les scientifiques, ils les ont "classés" dans un tableau.

Le tableau de la "classification périodique des éléments" établi par Dmitri Mendeleïev (1834 – 1907) regroupe tous les types d'atomes.

Chaque atome est associé à l'ELEMENT correspondant.

Classification périodique des éléments.

C13. Description.

C13a. Constituants :

L'atome est constitué de particules élémentaires :

$\bullet$ D'un noyau contenant les nucléons : les neutrons et les protons.

$\bullet$ D'un cortège électronique constitué d'électrons contenu dans le "nuage électronique".

Le noyau de l'atome correspondant à l'élément $X$ est noté : $^{A \ }_{Z \ }X$, contenant :

$\bullet$ A nucléons dont Z protons et A – Z neutrons.

$\bullet$ Z électrons.

C13b. Electroneutralité.

Exemple :

$\bullet$ Considérons un atome d'oxygène $^{16 \ }_{8 \ }O$.

$Q \left ( ^{16 \ }_{8 \ }O \right ) \ = \ 8 \times q(p) \ + \ (16-8) \times q(n) \ + \ 8 \times q(e^{  \  -})$.

$Q \left ( ^{16 \ }_{8 \ }O \right ) \ = \ 8 \times 1,602.10^{ \ -19} \ + \ (16-8) \times 0\ - \ 8 \times 1,602.10^{ \ -19}$.

$Q \left ( ^{16 \ }_{8 \ }O \right ) \ = \ 0 \ C$.

C13b. Masse.

La masse d'un atome $^{A \ }_{Z \ }X$ est constituée des masses de toutes les particules le constituant :

Exemple :

$\bullet$ Considérons un atome d'oxygène $^{16 \ }_{8 \ }O$.

$m \left (^{\color{red}{16 \ }}_{\color{blue}{8 \ }} O \right ) \ = \ \color{blue}{8 \ } \times \ 1,673.10^{ \ -27} \ + \ \left ( \color{red}{16} \ - \ \color{blue}{8} \right ) \times \ 1,675.10^{ \ -27} \ + \ \color{green}{8 \ } \times \ 9,109.10^{ \ -31} $.

$m \left (^{\color{red}{16 \ }}_{\color{blue}{8 \ }} O \right ) \ = \ \color{blue}{2,678.10^{ \ -26}} \ + \ \color{green}{7,287.10^{ \ -30}}$

$\color{red}{m \left ( ^{16 \ }_{8 \ } O \right ) \ = \ 2,679.10^{ \ -26} \ kg}$.

$\bullet$ Comparons cette masse à celle des électrons le composant :.

$\dfrac{\color{blue}{m(noyau)}}{\color{green}{m(electrons)}} \ = \ \dfrac{\color{blue}{2,678.10^{ \ -26}}}{\color{green}{7,287.10^{ \ -30}}} \ = \ 3675 \ >> \ 1$

La masse du noyau est 3675 fois plus grande que celle des électrons.

Remarque IMPORTANTE :

La masse totale des électrons étant négligeable comparée à celle du noyau, on assimile la masse de l'atome à celle de son noyau.

C13. Association des atomes.

C13a. Espèces moléculaires.

Les atomes s'associent pour former des molécules.

Chaque atome étant électriquement neutre, la matière est électriquement neutre.

Exemples :

$\bullet$ Une molécule d'eau $H_2O$ est formée de deux atomes d'hydrogène $H$ et d'un atome d'oxygène $O$.

$\bullet$ Une molécule de méthane $CH_4$ est formée d'un atome de carbone $C$ et de quatre atome d'hydrogène $H$.

C13b. Espèces ioniques.

Les atomes s'associent aussi pour former des ions.

Un ion monoatomique est un atome ayant perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

L'ion est donc électriquement chargé.

$\bullet$ Un atome ayant perdu un (ou plusieurs électrons) devient chargé positivement.

C'est un CATION.

Exemples :

L'ion sodium $Na^{ \ +}$ (atome de sodium ayant perdu 1 électron).

L'ion calcium $Ca^{ \ 2+}$ (atome de calcium) ayant perdu 2 électrons).

$\bullet$ Un atome ayant gagné un (ou plusieurs électrons) devient chargé négativement.

C'est un ANION.

Exemples :

L'ion chlorure $Cl^{ \ -}$ (atome de chlore ayant gagné 1 électron).

L'ion sulfure $S^{ \ 2-}$ (atome de soufre) ayant gagné 2 électrons).

C2. La mole.

C21. Définition.

Exemple :

$\bullet$ Une mole d'atomes de carbone $^{12 \ }_{6 \ }C$ contient $\cal N _a \ = \ 6,02.10^{ \ 23}$ atomes de carbone $^{12 \ }_{6 \ }C$.

$\bullet$ Une mole de molécules d'eau $H_2O$ contient $\cal N _a \ = \ 6,02.10^{ \ 23}$ molécules d'eau $H_2O$.

$\bullet$ Une mole d'ions calcium $Ca^{ \ 2+}$ contient $\cal N _a \ = \ 6,02.10^{ \ 23}$ ions calcium

C22. La masse molaire.

Définition :

C22a. Masse molaire atomique.

La masse molaire atomique correspond à la masse d'une mole de cet élément. Elle indiquée "en haut à droite" de la case correspondant à cet élément dans la classification périodique des éléments. Dans l'exemple ci-contre, la masse molaire atomique du carbone est : $M(C) \ = \ 12,00 \ g.mol^{ \ -1}$

C22b. Masse molaire moléculaire.

La masse molaire moléculaire correspond à la masse d'une mole de cette molécule. Elle est égale à la somme des tous les éléments constituant cette molécule. Dans l'exemple ci-dessus, la masse molaire moléculaire de l'eau ($H_2O$) a pour valeur : $M(H_2O) \ = \ 2 \ \times M(H) \ + \ 1 \ \times 1 \ M(O)$ $M(H_2O) \ = \ 2 \ \times 1,00 \ + \ 1 \ \times 1 \ 16,00$ $M(H_2O) \ = \ 18,00 \ g.mol^{ \ -1}$

C23. Relation masse molaire / quantité de matière.

En notant n la quantité de matière, M la masse molaire et la masse de l'entité A considérée :

$n(A) \ = \ \dfrac {m(A)}{M(A)}$

n est exprimée en mole (mol)

m est exprimée en gramme (g)

M est exprimée en gramme par mol ($g.mol^{ \ -1} \ ou \ g/mol$)

Exemple :

Dans le cas de l'eau $H_2O$.

La masse molaire moléculaire de l'eau est :

$M(H_2O) \ = \ 2 \times M(H) \ + \ 1 \times M(O) \ = \ 2 \times 1,00 + 1 \times 16 \ = \ 18,00 g.mol^{ \ -1}$

$\bullet$ 1 g d'eau contient : $n \ = \ \dfrac{m(eau)}{M(eau)} \ = \ \dfrac{1,00}{18,00} \ = \ 5,56.10^{ \ -2} \ mol$ d'eau.

$\bullet$ La masse de $3,00.10^{ \ -3} \ mol$ d'eau est : $m(eau) \ = \ n(eau) \ \times \ M(eau) \ = \ 3,00.10^{ \ -3} \ \times 18,00 \ = \ 54,00 \ g$.