Les éléments chimiques dans l'Univers

CHAPITRE 2:LES ELEMENTS CHIMIQUES DANS L'UNIVERS

I/ STRUCTURE DE LA MATIERE

Vivante ou inerte, la matière est constituée d’atomes dont la taille est de l’ordre de 10-10 m. Les plus légers proviennent des premiers temps de l’Univers alors que les plus lourds ont été créés lors d’explosions d’étoiles massives (Supernova). Il existe une centaine d’éléments différents tous regroupés dans le tableau périodique des éléments.

II/ LE MODELE DE L'ATOME

Activité documentaire n°1 : Evolution historique du modèle de l’atome

1°) Les constituants de l'atome

L'atome est constitué d'un noyau central, entouré d'un nuage électronique, dans lequel des électrons sont en mouvement.

Le noyau se situe au centre de l’atome, il est constitué de particules appelées nucléons. Il en existe deux sortes : les protons (chargés positivement) et les neutrons (particule neutre).

Les électrons sont chargés négativement, ils sont en mouvement autour du noyau et constituent le nuage électronique.

2°) Charge électrique

Tous les atomes sont électriquement neutres, ils possèdent donc le même nombre d’électrons autour du noyau que de protons à l’intérieur du noyau.

Exercice d’application 1 : Constituants de l’atome Compléter les légendes du schéma de l’atome représenté ci-dessous.

III/ SYMBOLE DE L'ATOME

Le noyau d'un atome est représenté symboliquement par la notation : Où X correspond au symbole de l’atome A est le nombre de nucléons (protons + neutrons) aussi appelé nombre de masse Z est le nombre de protons, appelé numéro atomique Le nombre de neutrons N est donné par le calcul de N = A – Z.

Exercice d’application 2 : Symbole d'un atome Le symbole : représente le noyau d’un atome. En vous appuyant sur le tableau périodique des éléments : 1) Donner le nom de cet atome. 2) Donner le nombre de nucléons présents dans son noyau. 3) Donner le nombre de protons présents dans son noyau. 4) En déduire, le nombre de neutrons présents dans son noyau. 5) Donner le nombre d’électrons gravitant autour du noyau dans cet atome.

Exercices 4 à 7

IV/ STRUCTURE DE L'ATOME

1°) Taille de l'atome

-10

L’ordre de grandeur du diamètre d'un atome est 10 m et celui de son noyau est de 10 m soit 100 000 fois plus petit, ainsi l’atome est essentiellement constitué de vide, on dit qu’il a une structure lacunaire.

-15

2°) Masse de l'atome

La masse de l'atome est concentrée dans son noyau car la masse d'un électron est 2000 fois plus petite que celle d'un nucléon.

V/ LES IONS

Un atome possède autant d’électrons que de protons dans son noyau, il est électriquement neutre. Un atome (ou groupe d’atomes) peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, il devient alors un ion.

Le nombre de protons contenus dans le noyau ne varie jamais. Ainsi un ion n’est donc pas électriquement neutre : il peut être positif ou négatif.

1°) Les cations

Un atome qui perd un ou plusieurs électrons devient positif. C’est un cation. Ex : Un atome d'aluminium ayant perdu 3 électrons devient un ion aluminium Al

3+

2°) Les anions

Un atome qui gagne un ou plusieurs électrons devient négatif. C’est un anion. Ex : L’ion chlorure Cl- a gagné 1 électron. Il possède donc 1 électron (-) de plus que de protons (+) dans le noyau.

3°) Solide et solution ionique

Un solide ionique est un assemblage d’ions positifs et négatifs. Ex : Le chlorure de sodium (sel de table) est un assemblage d’ions chlorure Cl- et d’ions sodium Na+

Lorsqu’un solide ionique est dissous dans l’eau, on obtient une solution ionique. Exemple : Lorsqu’on dissout du chlorure de sodium dans l’eau, on obtient une solution de chlorure de sodium composée d’ion chlorure Cl et d’ion sodium Na .

4°) Identification d'ions en solution

La présence d’ions en solution, peut être établie par tests de précipitation. Le test est positif lorsqu’apparaît un précipité et la couleur du précipité définit l’ion en présence.

Activité expérimentale n°1 : Tests d'identification des ions

VII/ CLASSIFICATION PERIODIQUE

Le terme d’éléments chimiques désigne les atomes et les ions de même numéro atomique Z et caractérisés par le même symbole. Les 118 éléments chimiques connus actuellement sont classés par numéro atomique Z croissant, en 7 lignes (périodes) et 18 colonnes dans le tableau périodique.

VII/ CLASSIFICATION PERIODIQUE

Le terme d’éléments chimiques désigne les atomes et les ions de même numéro atomique Z et caractérisés par le même symbole. Les 118 éléments chimiques connus actuellement sont classés par numéro atomique Z croissant, en 7 lignes (périodes) et 18 colonnes dans le tableau périodique.

Il existe une correspondance entre la position d'un élément chimique dans la classification périodique et la configuration électronique de l'atome correspondant. Les éléments d'une même colone appartiennent à la même famille (ex : gaz nobles) et possèdent des propriétés chimiques communes. --> Série d'exercices sur le chapitre 5 (partie 2)

VIII/ STABILITE DES ELEMENTS CHIMIQUES

1°) Les gaz nobles

Les atomes des éléments de la famille des gaz nobles présentent une grande stabilité chimique due à leur couche de valence saturée. --> Voir TP 12 : LES MOLECULES

2°) Les ions monoatomiques

Un ion monoatomique est une entité chimique stable. Le noyau d'un ion monoatomique est le même que celui de l'atome correspondant mais son cortège électronique diffère suite au gain ou à la perte d'un ou plusieurs électrons, afin d'acquérir une couche de valence saturée identique à celle du gaz noble le plus proche.

On distingue les anions (atome ayant gagné un ou plusieurs électrons), chargé négativement et les cations (atome ayant perdu un ou plusieurs électrons) chargés positivement.

Les ions en solution, peuvent être mis en évidence par des tests chimiques formant des précipités dont l'aspect est caractéristique de l'ion en présence. Exemple : Quelques tests d'ions

Exercice d’application 1 : Ion sodium L’élément sodium de symbole Na, est situé dans la 1ère colonne du tableau périodique des éléments. En vous appuyant sur le tableau périodique des éléments : 1) Relever le nombre d’électrons dans l'atome de sodium et écrire sa configuration électronique. 2) Donner le nombre d'électrons de valence qu'il possède. 3) Déterminer le nombre d'électrons que doit gagner ou perdre l’atome, pour acquérir une stabilité et former l'ion sodium. 4) Proposer une formule représentant l'ion sodium.

3°) Les molécules

--> Voir TP 12 : LES MOLECULES Une molécule est une entité chimique stable et électriquement neutre, formée d’au moins deux atomes liés entre eux par une liaison de valence.

Une liaison de valence résulte de la mise en commun de deux électrons de valence par deux atomes afin que chacun d’eux puisse satisfaire la règle du duet ou de l'octet, c'est à dire acquièrent une couche externe saturée (à 2 ou 8 électrons).

Pour représenter une molécule et justifier de sa stabilité, on utilise le schéma de Lewis. Ce modèle indique l'organisation des électrons de valence de chaque atome au sein de la molécule.

Ces électrons sont associés : _ En doublets liants, formant la liaison de valence et appartenant aux deux atomes liés; _ En doublets non liants, formés par les électrons de valence, ne participant pas à la liaison de valence, appartenant à un seul atome.

Exemple : En exploitant la représentation de Lewis d'une molécule d'eau, il est possible de justifier sa stabilité :

Exemple : En exploitant la représentation de Lewis d'une molécule d'eau

Ainsi la molécule d'eau représentée avec le schéma de Lewis est stable car chaque atome la composant possède une couche de valence saturée, représentée par les doublets liants et non liants qui l'entoure.

Exercice d’application 2 : Représentation de Lewis de la molécule d'ammoniac (NH ) 1) Donner le nom et le nombre des atomes composant la molécule d'ammoniac. 2) Pour chacun de ces atomes, écrire la configuration électronique (s'appuyer sur le tableau périodique des éléments). 3) Déterminer le nombre de liaisons de valence que chaque atome doit réaliser pour acquérir une stabilité. 4) Proposer une représentation de Lewis pour la molécule d'ammoniac en faisant apparaître les doublets liants et non-liants.