Les atomes.

I-De quoi est constituée la matière qui nous entoure ?

Observons les images ci-dessous, obtenues avec un microscope électronique à "effet tunnel",  lorsque cet appareil "analyse" divers échantillons de matériaux :

Image d'une feuille de carbone.

Image d'une feuille d'or.

Image de la surface d'un échantillon de silicium.

Sur ces diverses images , on observe des zones circulaires ou sphériques bien rangées les unes à côté des autres : ce sont des grains de matière : ce sont des atomes.

Toute la matière qui nous entoure est constituée à partir de particules de très petites dimensions (environ 10-10m soit 0,1 nanomètre (nm)): les atomes.

Voir une animation sur les dimensions dans l'Univers : (machine java à télécharger et installer si besoin est !)

Voir d'autres images obtenues grâce au microscope à "effet tunnel" : ici.

 

 

II-La longue histoire des atomes:

Si de nos jours, tous les scientifiques savent que la matière est faite à partir d'atomes, tel n'a pas toujours été le cas.

Quelle suite d'hypothèses, de raisonnements et d'expériences ont permis de mettre en évidence l'existence des atomes et quelles ont été les diverses façons de l'imaginer ? Quels sont les divers modèles d'atome que les scientifiques ont élaboré ? 

Pour connaître en partie les réponses à ces questions, voir cet ensemble de pages.

 

 

III-Constitution des atomes:

1-Existence des divers types d'atomes:

L' Univers qui nous entoure est constitué d'un nombre incalculable d'atomes.

Cependant, ces atomes sont essentiellement de 114 types (environ) qui sont regroupés dans la classification périodique des élèments.

Ce document de travail "inventé " par Dimitri Mendeleïev (1834-1907) est un outil de travail très important pour les chimistes car il permet de regrouper des informations caractéristiques sur les divers types d'atomes.

En effet, chaque type d'atome possède des propriétés physiques (masse, taille, ...) et chimiques (structure électronique, numéro atomique (Z), ..)  qui lui sont propres.

En outre, à chaque type d'atome, le chimiste fait correspondre un symbole chimique qui permet de caractériser le type d'atome rapidement :

Type d'atome Symbole chimique
carbone C
oxygène O
Fer Fe
Chlore Cl

 

2-Représentons un atome: un modèle adapté à la classe de troisième:

Si chaque type d'atome a des caractéristiques propres et si la manière de représenter les atomes a évolué au cours du temps (voir paragraphe II-), en classe de troisième, on retiendra que tous les atomes sont constitués:

-d'un noyau central de charge électrique positive entouré 

-d'un ou plusieurs électron(s) portant chacun une charge électrique négative(1(-)), se déplaçant dans le nuage électronique.

 

Ainsi, l'atome d'Hydrogène est constitué :

De la même manière, on peut représenter un atome de carbone :

Comme nous allons le voir par la suite, ce modèle d'atome nous permettra d'expliquer certains phénomènes (nature du courant électrique, formation des ions).

Les élèves qui poursuivront leurs études seront amenés à représenter les atomes en utilisant d'autres modèles (plus affinés que celui ci-dessus).

3-Electroneutralité des atomes et de la matière:

Lorsqu'on établit le bilan des charges électriques au sein d'un atome (de n'importe quel type) on trouve que la charge électrique positive portée par le noyau de l'atome est compensée par la charge électrique négative due aux  électrons .

Vérifions cela pour un atome de chlore:

Ceci est valable pour tous les types d'atomes : Les atomes sont globalement électrique neutres.

La matière qui nous entoure étant constituée à partir d'atomes, elle est donc globalement électriquement neutre.

 

IV- Nature du courant électrique:

1-Tous les matériaux laissent-ils passer le courant ? Expérience

On réalise le circuit ci-dessous puis on intercale divers matériaux entre les pinces crocodiles et on observe:

Parmi les matériaux testés (fer, verre, cuivre, aluminium, P.E.T., bois et carton), seuls les métaux (fer, cuivre et aluminium) sont conducteurs d'électricité.

 

2-Interprétation du passage du courant dans les métaux:

Le microscope à "effet tunnel" montre que les métaux sont constitués d'atomes rangés de façon régulière.

Comme nous le savons à présent, ces atomes sont constitués d'un noyau central positif autour duquel se trouvent des électrons négatifs. 

La plupart des électrons des atomes des métaux sont solidement liés aux noyaux. Cependant, un ou deux électrons peuvent se déplacer d'un atome à l'autre avec facilité : ce sont des électrons libres.

En l'absence de tension électrique (circuit ouvert), le mouvement des électrons libres est incessant et désordonné:

 

Lorsqu'on applique une tension électrique (circuit fermé), les électrons qui sont négatifs, se déplacent vers la borne positive du générateur.

Ce déplacement d'ensemble ordonné des électrons constitue le courant électrique dans les métaux.

voir une première animation: ici

 

(animation ci-dessus d'après : http://loiclecardonnel.free.fr/cou/coucours.htm )

Le sens conventionnel du courant est opposé au sens de déplacement des électrons libres.

Dans un isolant, il n'y a pas d'électrons libres: le courant électrique ne peut pas exister.

 

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