Introduction :

L’atome : un modèle pour comprendre la chimie :

Dès 420 avant JC, Démocrite (philosophe grec) a l’intuition de l’existence des atomes et invente leur nom (« atomos » en grec qui signifie insécable).

Aristote (philosophe grec) conteste cette existence et son prestige est tel qu’il faut attendre le début du XIX^ème siècle pour que cette idée reprenne vie.

• En 1805, John Dalton annonce au monde l’existence des atomes.
• En 1881, J. J.Thomson découvre l’un des composants de l’atome. Il s’agit de particules élémentaires négatives appelées en 1891 électrons.
• Au début du XX^ème siècle, l’ambition des physiciens est de proposer un modèle de l’atome en précisant la répartition de la charge électrique à l’intérieur de celui-ci.
• En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est électriquement neutre, pense qu’il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (qui peut avoir la forme d’une sphère) et qu’elle est parsemée d’électrons (pudding de Thomson).
• En 1910 Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et il déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un tout petit volume qu’il appelle « noyau ». Après « un petit calcul » il trouve que la majorité de la masse de l’atome est concentrée dans un noyau minuscule. Les dimensions du noyau sont de l’ordre de 10^-15m (100 000 fois moins que les dimensions de l’atome) et sa charge totale est un multiple entier de la charge de l’électron (au signe près).
• Rutherford pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l’atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l’essentiel de la masse de l’atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites.

Depuis, d’autres modèles plus complexes ont permis d’expliquer de nombreux autres phénomènes. Le modèle actuel de l’atome est l’aboutissement d’une longue histoire au cours de laquelle les représentations qu’on s’en fait ont profondément évolué.

Nous retiendrons pour la classe de troisième un modèle simple constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons qui forment un nuage électronique.

            Il est nécessaire d’élaborer un modèle pour pouvoir expliquer différents phénomènes et en prévoir les conséquences. Celles-ci, soumises à l’expérience, permettent de valider le modèle, de l’améliorer ou de le rejeter.

Cependant, il n’est pas toujours nécessaire d’utiliser le modèle le plus complexe pour expliquer de façon simple un certain nombre d’observations. Il suffit de bien en connaître les limites.

                 Texte construit à partir de Sciences et Avenir de décembre 1994, Sciences et Vie Junior d’octobre 1998, Electrons et Atomes (Thèmes Vuibert) et des documents d’accompagnement.

I°) Structure de l'atome :

a) Introduction :

Tous les matériaux dans l’univers sont constitués d’atomes (les solides, les liquides et les gaz).

• Les atomes sont invisibles à l’œil nu (La dimension de l'atome est de l'ordre du dixième de nanomètre).
• Un atome est constitué d’un noyau et d’électrons qui tournent autour du noyau.

b) L'électron :

Ils sont tous identiques.

• Masse d’un électron: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 0091 gramme ( m_e- = 9,1x10^-31 kg )
• Ils peuvent être de 1 jusqu’à 118 à tourner autour d’un noyau.
• Chaque électron porte une charge électrique élémentaire élémentaire notée e (la charge élémentaire est la plus petite charge électrique qui existe). La charge de l'électron est négative. On a donc :

Charge d'un électron = - e

c) Le noyau :

Presque toute la masse de l’atome se trouve dans le noyau : le noyau a une masse plusieurs milliers de fois plus grande que celle de l’électron.

• Le noyau a une masse plusieurs milliers de fois plus grande que celle de l'électron.
  
• Le noyau est environ 100 000 fois moins grand que l'atome.
  

Les noyaux sont chargés positivement.

d) L'atome :

Un atome est constitué d'un noyau autour duquel gravite (tourne) 1 ou plusieurs électrons. Les électrons peuvent être de 1 jusqu'à 118 à tourner autour d'un noyau.

Un atome a une charge totale nulle : il est électriquement neutre.

Classification périodique

Exemple :

Tous les atomes de carbone possèdent 6 électrons.

• Charge totale des électrons : -6e
• Charge totale du noyau : +6^e

Charge totale de l'atome de carbone = -6e +6e = 0

Il existe 118 atomes différents, et chacun est caractérisé par le nombre de charge positive dans son noyau (appelé numéro atomique).
Chaque atome est représenté par une lettre majuscule suivie éventuellement d'une lettre en minuscule.

Les atomes à connaître :

II°) Structure de la molécule :

a) Définition :

Une molécule est un groupement d’atomes identiques ou différents.

• Dioxygène : O₂
• Diazote : N₂
• Eau : H₂O

Donc les molécules sont électriquement neutres.

La formule d’une molécule donne la lettre de chacun des atomes de la molécule suivi du nombre en indice d’atome.

Exemple :

b) Les molécules à connaître :

• O₂ : molécule de dioxygène ( O : atome d’oxygène )
• H₂O : molécule d’eau
• H₂ : molécule de dihydrogène ( H : atome d’hydrogène )
• N₂ : molécule de diazote ( N : atome d’azote ).

III°) La structure des ions :

a) Définition :

Un ion est un atome ou un groupement d’atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

b) Formule chimique des ions :

Du fait que chaque ion est un atome (ou un groupement d'atome) qui a perdu ou gagné des électrons, ce n'est plus une espèce chimique qui est électriquement neutre.
Il existe donc des ions négatifs et positifs.

Cette charge portée par les ions correspond au nombre d'électrons gagnés ou perdus par l'atome ou le groupement d'atomes.

Si l'ion est négatif, il provient d'un atome (ou un groupement d'atome) qui a gagné des électrons (qui sont négatifs).
Si l'ion est positif, il provient d'un atome (ou un groupement d'atome) qui a perdu des électrons.

Exemple : Passage de l'atome de bérilium à l'ion bérilium

c) Notation des ions :

On note en exposant (en haut, à droite) à la fin de la formule chimique la charge portée par l'ion.
Dans l'exemple ci-dessus, cela nous donne la formule chimique suivante pour l'ion Bérilium : Be²⁺
Un ion monoatomique est formé d'un seul atome.

Exemple : Ca²⁺, l'atome Ca a perdu 2 électrons.

Un ion polyatomique est formé à partir d'un groupement de plusieurs atomes.

Exemple : SO₄^2- : l'ensemble d'atomes SO₄ a gagné 2 électrons.

d) Les ions à connaître :

IV°) Les solutions ioniques :

a) Définition :

Les ions se trouvent uniquement dissous dans des liquides. On appelle solution ionique tout liquide qui contient des ions positifs ou négatifs.

Exemple : Eau minérale, eau de mer.

Les solutions ioniques sont toujours électriquement neutres car la charge positive portée par certains ions est compensée par la charge négative d'autres ions.

Exemple : Solution de chlorure de sodium (Na⁺ + Cl^-) : Il y a autant d’ions Cl^- que d’ions Na⁺.

Exemple : Solution de chlorure de fer III (Fe³⁺ + Cl^-) : Il y a trois fois plus d’ions Cl^- que d’ions Fe³⁺.

b) Formule chimique des solutions ioniques :

Nom d’un composé : Nom de l’ion négatif puis nom du l'ion positif.

Exemple : le chlorure d’aluminium.

Ions : Cl ^- Al³⁺

Formule d’un composé : Formule de l'ion positif puis formule de l'ion négatif.

Exemple : le chlorure d’aluminium.

Formule : ( Al³⁺ + 3Cl ^- ).

Fiche sur les ions