Le modèle de l’atome, l’élément chimique
I) Espèce chimiques corps purs et mélanges
1.1 Définition d’une espèce chimique
Une espèce chimique est caractérisée par :
- sa formule chimique
- son aspect physique (couleur, forme liquide solide ou gazeuse), à la température et la pression ambiante
- des grandeurs physiques (solubilité température d’ébullition, de fusion, masse volumique)
exemple : à la température de 20°C et à la pression P = 1 bar (pression atmosphérique) le dioxygène est un gaz incolore. Sa formule chimique es O2 c'est-à-dire qu’il est constitué à partir de molécule contenant 2 atomes d’oxygène. Sa température de fusion est -219 °C sa température d’ébullition est -183°C sa masse volumique est de 1,4 g.L-1 ( à la température de 0°C et a la pression de 1 bar).
Une espèce chimique est soit naturelle soit artificielle (créée par l’homme).
1.2. Corps purs simples, corps purs composés, mélange
Un corps pur simple est composé d’un seul type d’espèce chimique
Exemple : le corps pur simple diazote est constitué de molécule gazeuse de diazote de formule N2 ne contenant que l’élément chimique azote de symbole N.
Le corps purs pur simple hélium n’est constitué que d’une seule espèce chimique le gaz hélium contenant des un seul élément chimique l’hélium de formule He.
Un corps pur composé est constitué d’une seule espèce chimique mais qui peut contenir plusieurs éléments chimiques..
Exemple : le corps pur oxyde d’aluminium est constitué de l’espèce chimique oxyde d’aluminium qui est composée de molécule d’aluminium de formule Al2O3. Cette espèce chimique contient les éléments chimiques aluminium Al et oxygène O.
Un mélange est un corps contenant plusieurs plusieurs espèces chimiques différentes.
Exemple : la bauxite est mélange contenant plusieurs espèce chimique : de l’oxyde d’aluminium (Al2O3) et de l’oxyde de fer (Fe2O3) . C »est un minerai dont on extrait l’aluminium.
II) structure de l’atome :
1) histoire du modèle atomique
Animation sur l’histoire du modèle atomique
L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons qui se
déplacent autour. vidéo
2) Le noyau
Il est constitué de particules élémentaires : les protons et
les neutrons
désignés sous le nom de nucléons.
Les protons sont chargés positivement : qp
= e =+1,6.10-
C est le symbole de l’unité de charge
électrique : le coulomb
Le proton possède la plus petite charge électrique
positive, appelée charge élémentaire e.
La masse du proton est
mP = 1, 67.10-
Les neutrons, particules neutres électriquement (qn = O C) , ont une masse voisine de celle du proton donc mn = mp = 1,67x10-19C.
Le nombre de protons du noyau s’appelle nombre de charge ou numéro atomique et se note Z.
Le nombre de neutrons se note N.
Le nombre total de nucléons, noté A est tel que : A = Z + N
3) Les électrons :
Un électron est beaucoup plus léger qu’un nucléon. Sa masse est me = 9,1.10-31kg Soit mp/me = 1835
Sa charge électrique est l’opposée de la charge élémentaire
‘e’ (celle du proton) soit qe = –e = -1,6.10-
Un atome étant électriquement
neutre, il possède autant de protons que d’électrons.
4) Symboles vidéo
Un atome est symbolisé par une ou deux lettres. La première s’écrit toujours en majuscule et la deuxième en minuscule. Le symbole correspond souvent au début du nom de l’atome mais certains sont issus du nom latin comme K(kalium) symbole du potassium.
·
Symbole de
l’atome : 
A représente le nombre de nucléons, Z le nombre de protons, il y a N = A-Z neutrons dans le noyau.
exemple : l’ atome de sodium 
possède A =
23 nucléons, Z = 11 protons, N = A-Z =23-11 = 12 neutrons.
III) structure électronique d’un atome :
Au cours du XX° siècle, les
scientifiques ont élaboré un modèle de l’atome plus riche que le modèle de
Rutherford, permettant d’interpréter la formation des ions et des molécules.
1) Les couches électroniques : vidéo
Les électrons sont en mouvement
autour du noyau : on parle de « cortège électronique » du
noyau.
Les électrons d’un atome se répartissent dans des couches
électroniques.
Chaque couche est représentée par une lettre ; pour
les atomes dont le numéro atomique est inférieur à 19, les couches occupées
sont les couches K, L et M.
La dernière couche occupée s’appelle la couche externe.
Les électrons qui l’occupent sont appelés les électrons périphériques de
l’atome.
2) Règles de remplissage :
Une couche électronique ne peut contenir qu’un nombre limité
d’électrons : 2 électrons sur la couche K ; 8 électrons sur la
couche L ; 18 électrons sur la couche M ;
Une couche contenant un nombre maximal d’électrons est dite saturée.
Les électrons commencent par occuper la couche K puis la L et enfin la M. Ils ne peuvent se placer sur une nouvelle couche si la précédente n’est pas pleine.
Le résultat de la répartition des
électrons se nomme la structure électronique de l’atome.
3) représentation de la structure électronique
La structure électronique est
composée des lettres correspondant aux couches K,L,M. Les lettres sont écrites
entre parenthèse. On indique le nombre d’électrons qu’elles contiennent en
exposant.
exemple vidéo
exemple :
structure électronique de l’atome
d’oxygène qui possède 8 électrons : (K)2 (L)6
Structure électronique de l’atome
de carbone : Z = 6 : (K)2
(L)4
IV) l’élément chimique
1) les isotopes : vidéo
Animation : tableaux des
isotopes
Les atomes ayant le même
nombre de protons mais des nombres de neutrons différents sont des isotopes.
Des atomes isotopes ont les mêmes propriétés chimiques.
De nombreux atomes possèdent plusieurs isotopes naturels. Chaque isotope est présent dans des proportions connues, dépendant de l’atome considéré.
Exemple : il existe 3 isotopes du carbone : les carbones 12 ; 13 et 14. Le diamant constitué uniquement d’atomes de carbone ne contient que l’isotope 12 (98,9%) et le 13 (1,1%).
Le carbone 14, présent dans les animaux et les végétaux permet de dater les objets anciens réalisés à partir de matériaux vivants (bois, tissus …). Dater un échantillon au carbone 14 consiste à mesurer la teneur en carbone 14 actuelle et de la comparer à celle qu’il avait lors de sa formation. On suppose pour cela que la teneur en carbone 14 est restée constante au cours des 40 000 dernières années.
Cette technique permet de dater le « passé » jusqu’aux environs de 45 000 ans avant J.C.
2) les ions monoatomiques :
Un ion est un atome qui a
perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Un atome qui perd des électrons devient chargé
positivement : c’est un cation. Ex : Na+ ; Mg2+ ;
Al3+
Un atome qui gagne des électrons devient chargé
négativement : c’est un anion. Ex : Cl- ; O2-
Le gain ou la perte des électrons s’effectue toujours sur
la dernière couche électronique, la couche externe.
3) Les composés ioniques :
Les composés ioniques sont des corps solides constitués d’ions positifs et négatifs. Ils sont électriquement neutres. Donc ils sont composés d’autant de charges positives que de charges négatives.
La formule d’un composé ionique ne fait pas apparaître les charges. Ex : NaCl
4) l’élément chimique vidéo
On donne le nom d’élément
chimique à l’ensemble des entités chimiques (atomes, isotopes ou ions)
caractérisées par le même nombre Z de protons dans leur noyau. Les éléments
chimiques sont représentés par leur symbole chimique.
Exemples : l’espèce chimique cuivre Cu est présente dans CuO, Cu(OH)2,, Cu métal …
5) Conservation de l’élément chimique
Lors d’une transformation chimique, tous les éléments
chimiques présents avant la transformation sont aussi présents après, et
réciproquement.
On dit qu’ il y a conservation des éléments chimiques lors
d’une transformation.
exemple : la réaction entre le métal fer et le dioxygène à pour équation chimique :
Fe + O2 ---> Fe2O3
Les éléments chimiques présents dans les réactifs sont : l’élément chimique fer Fe et l’élément chimique oxygène O
les éléments chimiques présents dans les produits sont
également l’élément chimique fer Fe et l’élément chimique oxygène O. Aucun
nouvel élément chimique a été créé au cours de la réaction.
V) règles de stabilité des éléments
1) Règles du duet et de l’octet vidéo
Les atomes appartenant aux
différents éléments chimiques tendent à gagner en stabilité au cours de
réactions chimiques. Les règles de stabilité sont les suivantes :
1) Les éléments de numéro atomique proche de celui de
l’hélium adoptent la structure électronique (K)2. Ils ont alors deux
électrons sur leur couche externe. C’est la règle du « duet ».
2) Les autres éléments de numéros atomiques inférieurs à
21 adoptent la structure électronique du néon ou de l’argon. Ils portent donc 8
électrons sur leur couche externe. C’est la règle de l’octet.
2) formation d’ions
Au cours des réactions chimiques certains atomes vont
perdre ou gagner des électrons pour répondre aux règles de stabilité
électronique. Ils se transforment en cation s’ils perdent des électrons, et en
anions lorsqu’’ils en gagnent.
exemple :
1) un atome de chlore possède 17 électrons. Sa structure électronique est (K)2(L)8(M)7. Pour obtenir une structure électronique stable (règle de l’octet) il va gagner un électron et se transformer en l’anion chlorure de formule Cl-. L’anion Cl- possède 18 électrons.
La structure électronique de Cl- est (K)2(L)8(M)8
2) l’atome de lithium Li possède 3 électrons. Sa structure électronique est (K)2(L)1. Pour obtenir une structure électronique stable (règle du duet) il va perdre un électron et se transformer en cation lithium de formule Li+. Le cation Li+ possède 2 électrons.
La structure électronique de Li+ est (K)2
3) cas des gaz nobles vidéo
Les gaz nobles sont les éléments chimiques hélium, néon, argon, krypton, xénon et radon.
Ces éléments sont chimiquement stables ou inertes c’est-à-dire qu’ils ne participent pas à des réactions chimiques. En effet leur structure électronique répond aux règles du duet et de l’octet.
Ils existent naturellement sous forme d’atomes isolés et on ne les rencontre ni sous forme d’ions ni dans des molécules.
Structure électronique des 3 premiers gaz nobles : He
(K)2 ; Ne (K)2
(L)8 ; Ar (K)2
(L)8 (M)8