Structure de la Matière, Quantité de Matière - 2nd L
Classe:
Seconde
I. Structure de la matière
1. Molécule et élément chimique
1.1. Molécule
1.1.1. Observation
Le dihydrogène es un gaz est formé de petites particules toutes identiques, animées de mouvements incessants et désordonnés, auxquelles on donne le nom de molécules.
1.1.2. Définition
La molécule est plus petite partie d'un corps pur (simple ou composé) qui conserve toutes les propriétés chimiques de ce corps et qui puisse exister à l'état libre.
2. Élément chimique
2.1. Mise en évidence de l'élément carbone
2.1.1. Pyrolyse du bois
fig17
La pyrolyse du bois donne du charbon de bois
2.1.2. Pyrolyse du sucre
La pyrolyse du sucre donne un solide noir appelé charbon de sucre
fig18
2.1.3. Conclusion
Le charbon de bois (produit de la pyrolyse du bois), le solide noir (résidu de la pyrolyse du sucre) contiennent un constituant commun : le carbone
2.2. Définition de l'élément chimique
Un élément chimique est un constituant commun à tous les corps qui le contiennent
Remarque :
$-\ $Les corps purs simples sont formés d'un seul élément
Exemples :
Le dihydrogène est formé de l'élément hydrogène ; le dioxygène est formé de l'élément oxygène.
$-\ $Les corps purs composés sont formés de plusieurs éléments.
Exemples :
L'oxyde de dihydrogène (eau) est formé de l'élément oxygène et de l'élément hydrogène ; le dioxyde de carbone (gaz carbonique) est formé de l'élément oxygène et de l'élément carbone.
2.3. Notation chimique
Pour faciliter l'étude de la chimie, les éléments sont représentés par des symboles.
Généralement, on utilise la première lettre majuscule du nom (français, latin, grec, étranger...)
Lorsque plusieurs éléments commencent par la même lettre, on ajoute une seconde lettre minuscule pour les différencier.
Symboles de quelques éléments chimiques
$$\begin{array}{|l|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline \text{Elément}&\text{Hydrogène}&\text{Carbone}\text{Fer}&\text{Sodium}&\text{Azode}&\text{Oxygène}&\text{Fluor}&\text{Calcium}\\ \hline \text{Symbole}&H&C&F&Na&N&O&F&Ca\\ \hline \end{array}$$
2.4. Classification périodique des éléments chimiques
2.4.1. Principe de la classification
$-\ $Les éléments chimiques sont classés par numéro atomique $Z$ croissant.
$-\ $Les éléments dont les atomes ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe sont disposés dans une même colonne verticale et constituent un groupe ou une famille.
$-\ $Chaque ligne ou période correspond au remplissage d'une couche électronique.
2.4.2. Tableau simplifiée de la classification périodique
Le tableau simplifié comporte trois lignes ou périodes et huit colonnes ou groupes.
fig19
2.4.3. Intérêt de la classification périodique
Les atomes des éléments de même colonne ont le même nombre d'électrons périphériques.
Ils ont des propriétés chimiques semblables et forment un groupe ou famille.
Considérons quelques exemples :
2.4.3.1. La famille des métaux alcalins
$-\ $A l'exception de l'hydrogène, les éléments de la première colonne constituent le groupe des alcalins.
$-\ $Ils ont la même structure électronique externe.
Ils possèdent un électron sur la couche électronique externe.
$Li$ (Lithium) ;
$Na$ (Sodium) ;
$K$ (Potassium)
$-\ $Les corps simples correspondant à ces éléments sont appelés les métaux alcalins.
$-\ $Ce sont des corps mous, légers à l'éclat métallique, très réactifs chimiquement.
$-\ $Ils sont oxydés par le dioxygène de l'air.
Il faut les conserver dans le pétrole, à l'abri de l'air.
2.4.3.2. La famille des Halogènes.
$-\ $Les éléments de la septième colonne constituent la famille des halogènes.
Ces éléments possèdent la même structure électronique externe à sept électrons.
$F$ (Fluor) ;
$C1$ (Chlore) ;
$Br$ (brome) ;
$I$ (iode)
$-\ $Ils existent sous la forme de molécules diatomiques :
$-\ $Le difluor, le dichlore (gaz jaune-vert), le dibrome (liquide jaune-orangé), le diiode (solide violet foncé).
2.4.3.3. La famille des gaz nobles.
$-\ $Ce sont les éléments de la dernière colonne.
$-\ $L'hélium mis à part, ils possèdent une structure externe à huit électrons appelée octet d'électrons.
$He$ (Hélium) ; $Ne$ (Néon) ; $Ar$ (Argon)
$-\ $Ils possèdent une grande stabilité chimique.
Ce sont des gaz monoatomiques, on les appelle les gaz rares ou gaz inertes.
3. Atome et ion
3.1. Atome
3.1.1. Définition
Un atome est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec un autre.
3.1.2. Dimensions et constituants.
3.1.2.1. Dimensions
L'atome est représenté par une sphère infiniment petite.
Le diamètre de l'atome est de l'ordre de l'Angstrom $\left(\text{symbole };\ A^{\circ}\right)$ ; $1A^{\circ}=10^{-15}\,m$
3.1.2.2. Les constituants de l'atome
3.1.2.2.1. Le modèle atomique
L'atome peut être modélisé par une structure présentant un noyau autour duquel existe une zone dans laquelle on peut trouver les électrons.
Cette partie de l'atome est appelée nuage électronique.
fig20
3.1.2.2.2. Les caractéristiques des constituants de l'atome
Les expériences montrent que l'atome est constitué de protons, de neutrons et d'électrons
$$\begin{array}{|l|c|c|} \hline \text{Particule}&\text{Masse}&\text{Charge}\\ \hline \text{Proton}&m_{p}=1.672\cdot10^{-26}\,kg&q_{p}=1.6\cdot10^{-19}C\\
\hline \text{Neutron}&m_{n}=1.674\cdot10^{-26}\,kg&q_{n}=0C\\ \hline \text{Electron}&m_{e}=9.1\cdot10^{-31}\,kg&q_{e}=-1.6\cdot10^{-19}C\\ \hline
\end{array}$$
Remarque :
$-\ $La masse $m_{p}=m_{n}=1836\,m_{e}$
La masse des électrons est $836$ fois plus petite que celle du proton ; donc négligeable par rapport à celle-ci
$-\ $Les charges des protons et des électrons sont identiques et ces particules sont en même nombre dans l'atome ; l'atome est donc électriquement neutre.
3.1.3. Structure électronique
3.1.3.1. Le noyau
Le noyau est constitué de deux types de particules : les neutrons et les protons.
Ces deux types particules constituants du noyau sont appelés nucléons.
Chaque atome est caractérisé par :
$-\ $le nombre de protons $Z$ qu'il renferme.
Ce nombre est aussi appelé numéro atomique ou nombre de charge
$-\ $le nombre de nucléons $A$ qu'il renferme.
Ce nombre est aussi appelé nombre de masse : $A=Z+N$
$N$ étant le nombre de neutrons
On symbolise le noyau des atomes par
fig21
$A=Z+N=$ nombre de masse d'un noyau, c'est le nombre de nucléons (protons + neutrons) qu'il contient.
$Z=$ numéro atomique d'un noyau, c'est le nombre de protons qu'il contient.
Exemple :
$_{6}^{12}C$ ;
$_{8}^{16}O$ ;
$_{1}^{1}H$ ;
$_{7}^{14}N$
Remarque :
Des atomes sont dits isotopes lorsqu'ils renferment le même nombre de protons mais de nombre de nucléons (ou nombre de neutrons) différents
Exemple :
$_{6}^{12}C$, $_{6}^{13}C$ et $_{6}^{14}C$ ;
$_{1}^{1}H$, $_{1}^{2}H$ et $_{1}^{3}H$
3.1.3.2. Le nuage électronique
3.1.3.2.1. Notion du niveau d'énergie
Les électrons d'un atome sont répartis en couche de niveau d'énergie différent.
Pour arracher les électrons d'une même couche, il faut lui fournir la même énergie.
On dit que les électrons d'une même couche ont le même niveau d'énergie
Les couches sont désignées par des lettres $K\;,\ L\;,\ M\;,\ N\;,\ O\;,\ P\;,\ Q\ldots\ldots$
A chaque couche correspond un nombre entier positif $n$
$$\begin{array}{|l|c|c|c|c|c|c|c|} \hline n&1&2&3&4&5&6&7\\ \hline \text{Lettre}&K&L&M&N&O&P&Q\\ \hline \end{array}$$
3.1.3.2.2. Règle de remplissage des couches
La répartition des électrons d'un atome sur les différentes couches ou niveaux d'énergie obéit à deux règles :
$-\ $la première règle : le nombre maximal d'électrons pouvant appartenir à une couche est : $N=2n^{2}$
Exemples :
Couche $K$ :
$N=2\times 1^{2}\Rightarrow\;N=2\text{élections}$
Couche $L$ :
$N=2\times 2^{2}\Rightarrow\;N=8\text{élections}$
Couche $M$ :
$N=2\times 3^{2}\Rightarrow\;N=18\text{élections}$
$-\ $La deuxième règle : on remplit successivement les couches dans l'ordre $K\;,\ L\;,\ M\;,\ N\ldots$
Une couche ne commence à se remplir que si la précédente est saturée
3.1.3.2.3. La configuration électronique
Pour donner la structure électronique ou la configuration électronique, on représente tous les électrons par des points $(\cdot)$ dans des cases portant autant de places disponibles dans une couche déterminée.
fig22
Exemple
fig23
fig24
fig25
fig26
3.1.3.2.4. La formule électronique
On écrit la lettre qui correspond à chaque couche et on indique en exposant en haut à droite le nombre d'électrons par couche.
Exemples :
$H(Z=1)\ :\ K^{1}$ ;
$He(Z=2)\ :\ K^{2}$ ;
$Li(Z=3)\ :\ K^{2}L^{1}$ ;
$C(Z=6)\ :\ K^{2}L^{4}$ ;
$O(Z=8)\ :\ K^{2}L^{6}$ ;
$Al(Z=13)\ :\ K^{2}L^{8}M^{3}$
3.1.3.3 Structure de Lewis d'un atome
La représentation de Lewis permet de mettre en évidence les électrons de la couche externe ou couche périphérique.
Les électrons célibataires sont représentés par des points $(.)$ ; les doublets sont représentés par un tiret $(-)$ placé autour de l'élément considéré
Exemples :
fig27
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