séance 1 quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie...
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Sommaire
Séquence 3Les métaux et la conduction électrique
Séance 1 Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie quotidienne ?1– Quatremétauxtrèsutilisés:lefer,lecuivre,lezincetl’aluminium2– L’oretl’argent
Séance 2 Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?1– Uncircuitdetestconducteur/isolantperfectionné2– Résultatsdestestsconducteur/isolantsurdifférentssolides
Séance 3 Comment le courant circule-t-il dans les métaux ?1– Dequoiunmétalest-ilconstitué?2– Latailledesatomes3– Qu’ya-t-ilàl’intérieurd’unatome?4– Commentlecourantélectriquecircule-t-ildansunmétal?
Séance 4 Comment a-t-on découvert la structure de l’atome ?1– Ladécouvertedesélectrons2– Ladécouvertedunoyau3– Les«modèles»del’atome
La séance 5 est réservée à la rédaction du devoir à envoyer au Cned.
—©Cned,Physique - Chimie 3e72
©Cned,Physique - Chimie 3e— 73
Séance 1Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie quotidienne ?
A Que vais-je apprendre dans cette séance ?
je sais déjàDanslaviequotidienne,turencontresettuutilisestoutessortesd’objets.Tuasremarquéquebeaucoupd’entreeuxcontiennentunepartiemétallique:regardeparexemplelestylooulefeutreaveclesquelstuécris!
IlexisteplusdecinquantemétauxdifférentssurTerre,sanscompterlesalliages(obtenusenincorporantunouplusieursautresmétauxoudesélémentsnonmétalliques).Ilspossèdenttouslespropriétéssuivantes:ilssontbonsconducteursducourantélectriqueetdelachaleur,etilsontunbeléclatbrillantlorsqu’ilssontdécapésetpolis.
ce que je vais apprendre dans cette séanceDanscetteséance,tuvasliredesinformationsconcernantquatremétaux,parmilesplusutilisés:le fer, le cuivre, le zinc et l’aluminium. Tudécouvrirasd’oùonlesextrait,quellessontleurspropriétésparticulières,etàquoiilssontutilisés.
B Je découvre
Étude de document n° 1
Lis attentivement le texte ci-dessous, puis fais l’exercice.
Quatre métaux très utilisésLe fer
Énormémentd’objetsautourdenoussontenfer,ouplutôtenacier.L’acierestconstituéde99%deferetde1%decarboneenviron,cedernierétantdestinéàrendreleferplusdur.Lescarrosseriesdevoitures,lescouteaux,fourchettesetcuillères,leslamesdenombreuxoutils(tournevis,scies,ciseaux)...sontenacier.L’acieresttrèsutiliséaussidanslaconstructiondesmaisons,desimmeubles,lesrailsdechemindefer,despontsetautresouvragesd’art:le«bétonarmé»esteneffetdubétondanslequelonaincorporédestigesd’acier,pourluidonnerdelarigidité.
Danslanature,onnetrouvepratiquementpasdeferàl’étatpur:ilfautl’extrairede«minerais»,c’est-à-direderochesquicontiennentdesatomesdeferliésàd’autresatomes(oxygène,carbone...).Lamagnétiteestlenomdumineraidefer(cherche une photo de ce minerai sur Internet ou dans une encyclopédie).L’industriequipermetd’extraireleferàpartirdesminerais,etdefabriquerl’acier,s’appellelasidérurgie.Lespremierstravauxdesidérurgieremontentàplusde3000ans,auMoyen-Orient,etl’acierainsifabriquéservaitsurtoutàfairedespoignards,dessabres,desépéesetdeslances,beaucoupplusdursqueceuxenbronzeutilisésauparavant.Lesartisansquifabriquaientdesobjetsenacierétaient
Séquence 3séance1—
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appelésdes«forgerons».CetartisanatestdevenuenEuropeunevéritableindustrieàpartirduXIXesiècle.LaTourEiffel,construitepourl’ExpositionUniverselledeParisen1889,incarneletriomphedelaconstructionenacier.
L’acierprésentecependantuninconvénientmajeur:ilrouillerapidement(figure1)enprésenced’airhumide.Ilfautdoncleprotégeravecdesrevêtementsadaptés:peinture,vernis,zinc...
Fig. 1Un objet en acier rouille s’il n’est pas protégé
Quelques propriétés du fer :
- Sacouleurestgrisclair.
- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).
- Ilestattiréparunaimant,cequipermetdelerécupérerfacilementdanslescentresdetridesdéchets.
- 1centimètre-cubedefer(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse7,9grammes.
- Ilfondà1540°C.
- Ils’oxydefacilementàl’airhumide:l’oxydeainsiformés’appelle«larouille».
Le cuivre
Lecuivreàl’étatpurexisteenpetitesquantitésdanslesous-sol,maisonletrouvesurtoutdansdesminerais,oùlesatomesdecuivresontliésàd’autresatomes(soufreetoxygènenotamment).
PrèsdeSaltLakeCity(USA),ontrouveuneminedecuivreàcielouvert(cherche une photo de cette mine sur Internet ou dans une encyclopédie).
Lecuivreesttrèsutilisépourfairedesfilsélectriques:eneffet,nonseulementc’estunexcellentconducteurducourantélectrique,maisdeplusilestfacileàétirerenfils,etenfinilestrelativementsouple,pastropcassantquandonletord.
Lecuivreentreégalementdanslacomposition«d’alliages»,c’est-à-diredemélangesdemétaux.Ainsi,parexemple,lebronze(cuivre+étain)sertàfairedescloches,oulelaiton(cuivre+zinc),sertàfairedesinstrumentsdemusiquetelsdestrompettes,destrombones,etc.
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Fig. 2
Le cuivre s’oxyde : c’est le « vert-de-gris »
Quelques propriétés du cuivre :
- Sacouleurestrouge-orangé.
- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).C’estmême,aprèsl’argent,lemeilleurdesconducteurs.
- Iln’estpasattiréparunaimant.
- 1centimètre-cubedecuivre(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse8,9grammes.
- Lecuivres’oxydeaucontactdel’airhumide:l’oxydedecuivres’appellele«vertdegris»(figuref31.2;remarque:levert-de-grisestunesubstancetoxique,ilfautdoncéviterdes’enmettresurlesdoigts).
- Lecuivrefondà1083°C.
Le zinc
Lezincestextraitdeminerais,tellela«blende»danslaquellelesatomesdezincsontliésàdesatomesdesoufre.Onl’utilisepourfairedestoitures(40%destoitsdeParissontenzinc)etdesgouttières(figuref31.3).Ilprésentepourcetusageplusieursavantages.D’abord,ilselaissefacilementaplatirenfeuilles:ilsuffitdel’écraserentredesrouleaux(cetteopérationsenommele«laminage»).Ensuitelespiècesenzincsontassezfacilesàassembler:pourcela,onfaitfondreunalliageàbased’étain,quienrefroidissantsoudelesdeuxpiècesdezincl’uneàl’autre.Enfin,àl’airhumide,lezincs’oxydesuperficiellement,etcettecouched’oxyde(del’hydrocarbonatedezinc)protègeensuitelemétal,carelleestétancheàl’airetàl’eau.
Séquence 3séance1—
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Unautreusagetrèsimportantduzincestla«galvanisation»del’acier,quiconsisteàrecouvrircedernierd’unefinecouchedezinc(pourcelaonpeut,parexemple,tremperl’acierdansunbaindezincfondu).Lezincprotègetrèsdurablementl’acierdelarouille.Lescarrosseriesdevoitures,parexemple,sontsystématiquementgalvanisées.L’intérieurdescanettesdeboissonenacieraussi(remarque:danslescanettes,enplusduzincilyaencore,aucontactdirectdelaboisson,unecouchedevernisspécialdit«dequalitéalimentaire»,cequiveutdirequecevernisnerisquepasdesedissoudredansleliquide,cequipourraitmodifierlegoûtdelaboissonoumêmemettreendangerlasantédel’êtrehumain).
Fig. 3
Un élément de gouttière en zinc.
Quelques propriétés du zinc :
- Sacouleurestgrisclair.
- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).
- Iln’estpasattiréparunaimant.
- 1centimètre-cubedezinc(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse7,1grammes.
- Lezincs’oxydeaucontactdel’airhumide:l’oxydedezincestdel’hydrocarbonatedezinc.
- Lezincfondà419°C.
Séquence 3 —séance1
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L’aluminium
L’aluminiumestextraitdeminerais,tellela«bauxite»danslaquellelesatomesd’aluminiumsontliésàdesatomesd’oxygène.Undesgrandsintérêtsdel’aluminium,c’estsalégèreté:1centimètre-cubed’aluminium(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèseseulement2,7grammes,soitenvirontroisfoismoinsquelefer!C’estpourquoiilesttrèsutiliséenaéronautique,pourconstruirelesavions:onn’utilisepasl’aluminiumpur,quiesttropmou,maisdesalliagesdeplusieursmétaux,commeparexemple{aluminium+zinc+cuivre+magnésium}.Parailleurs,ilselaissefacilementlaminer,c’est-à-direécraserenfeuilles,cequipermetdefabriquerle«papieralu»quenousutilisonstous(figure4).Unelargemajoritédescanettesdeboissonsvenduesdanslemondeestfabriquéeenaluminium:l’intérieurdelacanette,aucontactduliquide,estrevêtu(commelescanettesenaciergalvanisédontonaparléplushaut)d’unvernisspécialdeprotectiondit«dequalitéalimentaire».Àl’airhumide,l’aluminiums’oxydesuperficiellement,etcettetrèsfinecouched’oxydeappelée«alumine»,étantimperméableàl’airetàl’eau,protègeensuitelemétal.Onpeutd’ailleursaugmenterartificiellementl’épaisseurdecettecouched’alumine(parunprocédéappelé«anodisation»)pourrenforcerencorelaprotection:l’aluminiumanodisésertàfabriquerdesportesetdesfenêtres.
Fig. 4Le papier d’aluminium
Quelques propriétés de l’aluminium :
- Sacouleurestgrisclair.
- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).C’estmêmeuntrèsbonconducteur,àconditionqu’ilsoittrèspur.
- Iln’estpasattiréparunaimant.
- 1centimètre-cubed’aluminium(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse2,7grammes.
- L’aluminiums’oxydeaucontactdel’airhumide:cetoxydedezincs’appellel’alumine.
- L’aluminiumfondà660°C.
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Exercice 1
Répondsauxquestions(lesréponsessontdanslestextesci-dessus):
1-Lesmétauxexistent-ilsdanslesolterrestreàl’étatpur?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2-Quelest,entrelefer,lecuivre,lezincetl’aluminium,lemeilleurconducteurducourantélectrique?
......................................................................................................................................
3-Classelefer,lecuivre,lezincetl’aluminium,dupluslourdauplusléger:(pour1cm3)
......................................................................................................................................
4-Réflexion:leslignesàhautetension,quitransportentlecourantélectriquedescentralesverslesvilles,sontenaluminiumetnonencuivre.Pourquoi,àtonavis?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
5-Beaucoupdemétauxs’oxydentaucontactdel’atmosphère.Commentnomme-t-on:
a)l’oxydedefer?.............................. b)l’oxydedecuivre?........................
c)l’oxydedezinc?............................ d)l’oxyded’aluminium?...................
Exercice 2
Unlingotd’oraunvolumede51,8cm3.
1- Quevautlamassed’uncentimètre-cube:
a)defer?.....................................................................................................................
b)decuivre?.................................................................................................................
c)dezinc?.....................................................................................................................
d)d’aluminium?...........................................................................................................
2-Lamassed’uncentimètre-cubed’orestde19,3g.Calculelamassed’unlingotd’or.
......................................................................................................................................
3-Quelvolumed’aluminiumdoit-onprendrepourobtenirlamassecorrespondanteàcelled’unlingotd’or.
......................................................................................................................................
Séquence 3 —séance1
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Étude de document n° 2
L’or et l’argent
Exercice 3
Recherchedansundictionnaireouuneencyclopédielesréponsesauxquestionsci-dessous:
1-Onditquel’orestunmétal«inoxydable».Qu’est-cequecelaveutdire?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
2-Citedeuxusagesdel’or:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
3- Citedeuxusagesdel’argent:
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
- Lefer,lecuivre,lezincetl’aluminiumsontlesmétauxlespluscourammentutilisés.
- Parmilesmétauxprécieux,lesplusutiliséssontl’argentetl’or.
- Onpeutidentifierlesmétauxpardestestssimples:
Attiré par un aimant
Couleur (non oxydé)
Couleur de l’oxyde Masse pour 1 cm3
Fer oui grisclair marron(rouille) 7,9gCuivre non orangé/rouge vert(vert-de-gris) 8,9gZinc non grisclair gristerne 7,1g
Aluminium non grisclair transparentoublanchâtre(alumine)
2,7g
Or non doré pasd’oxydation 19,3gArgent non grisclair noir 10,5g
j e retiens
Séquence 3séance1—
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C Je vérifie mes connaissances
Exercice 4
Coche la bonne réponse puis vérifie la correction.
Oui Non1-Parmilesquatremétauxsuivants:fer,aluminium,
zincetcuivre,est-cequeseulleferestattiréparunaimant?
® ®
2-Lecuivrenonoxydéest-ildecouleurrougeorangé? ® ®
3- Àvolumeidentiqueentrelefer,lecuivre,etl’aluminium,est-cequec’estl’aluminiumquiestlemétallepluslourd?
® ®
4- L’aluminiumest-ilprotégéparsonoxyde? ® ®
5- Larouille,principalconstituantdel’oxydedefer,a-t-iluneffetprotecteursurlefer? ® ®
D J’approfondis
Exercice 5
Un bijou 18 carats ?
Dansledomainedelabijouterie,pourconnaîtrelaproportiond’orpurcontenudansunbracelet,onexprimelateneurenorencarats.
24caratscorrespondantàunbijouenorpur.
Endessousde24carats,l’orestmélangéaucuivre,lebijouétantalorsconstituéd’«unalliage».
Lamassed’orestalorsdonnéepaslarelation:mor=
18
24 ×MoùMestlamassetotalede
l’alliage.
Pourncarats,laformuledevientalors:mor=
n
24xM.
Pourunbraceletde40get18carats,calculemorlamassed’or,etmcuivrelamassedecuivre.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Séquence 3 —séance1
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Séquence 3séance2—
Séance 2Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?
A Que vais-je apprendre dans cette séance ?
je sais déjàDanslaséance1,tuasdécouvertl’énergiecinétiqueEcetdessituationsdanslaquelleelleintervient(barrage,chute).Enclassedecinquième,tuasvuquecertainesmatièresconduisentlecourantélectrique:onlesappelledes«conducteurs».Tuasvudanslaséance1delaséquence3quetouslesmétaux,parexemple,sontdesconducteurs.D’autresmatièresneconduisentpaslecourantélectrique:onlesappelledes«isolants».Leverreestunisolant,parexemple.En résumé :touslessolidesnesontpasconducteurs.
Exercice 6 Dessineleschémadumontagetrèssimple,utiliséenclassedecinquième,permettantdesavoirsiunematièreestunconducteurouunisolant:
Fig. 1
Un montage simple pour tester le caractère conducteur
ce que je vais apprendre dans cette séanceMaintenant,nousallonsensembleessayerd’affinerladistinctionentreconducteursetisolants,enregardantsicertainssolidesneseraientpas«entrelesdeux»,c’est-à-direfaiblementoumoyennementconducteurs.
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B Je découvre
Activité expérimentale
Un circuit de test conducteur/isolant plus perfectionnéSupposonsquenoustestionsunsolideaveclecircuitreprésentéci-dessus(figure1).Silalamperesteéteinte,pouvons-nousvraimentaffirmerquecesolideestunisolant?Laréponseestnon,carsilesolideestfaiblement conducteur,lecourantvacirculer,maisavecuneintensitétropfaiblepourquelalampes’allume.Dansl’exercicequisuit,tuvasvoircommentonpeutaméliorerlecircuit.
Exercice 7Pouraméliorerlecircuitdetestconducteur/isolantdelafigure1,ilfautincluredanscecircuitunappareilpermettantdemesurerl’intensitéducourantélectrique.Tuasrencontrécetappareilenclassedequatrième.1-Commentsenommel’appareilquimesurel’intensitéélectrique?
......................................................................................................................................
2- Commentcetappareilsebranche-t-il(ensérieouendérivation)?
......................................................................................................................................
3- Dessineleschémaducircuitélectriqueincluantcenouvelappareil:
Vérifie ta réponse avec le livret de corrigés.
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Résultats des tests conducteur/isolant sur différents solidesVoiciunensembledematières(figure3)quisonttoutesàl’étatsolide:
del’acier,del’argent,ducarbone,ducuivre,duliège,dunickel,del’or,duplomb,dusel,dusucre,dusulfatedecuivre,duzinc.
fig. 3Un ensemble de solides
Sinoussoumettonscessolidesautestconducteur/isolantdécritplushaut(fig.2danslelivretdecorrigés),voicilesrésultats:
solide testé état de la lampe intensité électrique (mA)acier fort 250argent fort 250carbone moyen 160cuivre fort 250liège nul 0nickel fort 250or fort 250plomb fort 250sel nul 0sucre nul 0sulfatedecuivre nul 0zinc fort 250
Séquence 3séance2—
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Exercice 8Àpartirdesrésultatsdutableau,répondsàcestroisquestions(justifietesréponsesencitantdesexemplesprisdansletableau):
1-Touslessolidessont-ilsconducteurs?
......................................................................................................................................
2-Touslesmétauxsont-ilsconducteurs?
......................................................................................................................................
3-Existe-t-ildessolidesnonmétalliquesquisoientconducteurs?
......................................................................................................................................
Comparaison des métaux entre eux
Lemontagedelafigure2danslelivretdecorrigéspermetdeconstaterquetouslesmétauxsontbonsconducteursducourantélectrique,maisilnepermetpasdelesclasserdumeilleuraumoinsbon(tul’asvu,quelquesoitlemétal,lalampebrillefortementetl’ampèremètreindique250mA).
Ilfautpourclasserlesmétauxréaliserunmontagespécial,quetuverrasdanslasuitedetesétudes.Grâceàuntelmontage,onétablitl’ordresuivant,dumeilleurconducteuraumoinsbon:
(+ + conducteur )
…..argent>cuivre>or>aluminium>zinc>nickel>acier>plomb………
(- - conducteur)
Cemontage(fig.4)permetdecomparerlecaractèreconducteurdedifférentssolides:
Fig. 4Un montage avec un ampèremètre pour tester le caractère conducteur
•Touslessolidesneconduisentpaslecourantélectrique.•Touslesmétauxconduisentlecourantélectrique.
j e retiens
Séquence 3 —séance2
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C Je vérifie mes connaissances
Exercice 9
Coche la bonne réponse.
Si tu réponds non, explique pourquoi, puis vérifie tes réponses dans le livret de corrigés.
Oui Non1- Pourétudierlecaractèreconducteurd’unsolide,celui-ci
doit-ilêtreplacéendérivationsurlalampe?
.................................................................................® ®
2- Touslessolidesconduisent-ilslecourantélectrique?
.................................................................................® ®
3- Touslesmétauxconduisent-ilslecourantélectrique?
.................................................................................® ®
4- Lesmétauxsont-ilsplusoumoinsconducteursducourantélectrique?
.................................................................................® ®
5- Lecarbonedanssaformegraphiteest-ilunconducteurélectrique?
.................................................................................® ®
6- Unbouchonenliègeest-ilunconducteurélectrique?
.................................................................................® ®
Exercice 10
Onremplacelalampedumontagedelafigure1dulivretdecorrigés(Exercice6)parunediodeélectroluminescente(DEL).
1-QuelavantageprésentelaDELparrapportàunelampe?
......................................................................................................................................
Séquence 3séance2—
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2-Faisleschémaélectriquedumontageenprésentantunesituationd’éclatdelaDEL.
......................................................................................................................................
3-PrévoislecomportementdelaDEL(éclatounon)aveclessolidessuivantencochantlescases.
État de la DELBrille Ne brille pas
Métal ® ®
Sucre ® ®
Carbone(graphite) ® ®
Sulfatedecuivre ® ®
Liège ® ®
Séquence 3 —séance2
©Cned,Physique - Chimie 3e— 87
Séance 3Comment le courant électrique circule-t-il dans les métaux ?
A Que vais-je apprendre dans cette séance ?
je sais déjàTulesais,touslesmétauxsontconducteursducourantélectrique.Maisjustement,qu’est-ce que le « courant électrique » ? De quoi est-il fait ?Tuvasledécouvrirdanscetteséance.Etpourcela,ilvafalloird’abordregarderendétaildequoisontfaitslesmétaux.
B Je découvre
Étude de document
Lis attentivement les documents ci-dessous, et fais les exercices au fur et à mesure. Puis vérifie la correction.
De quoi un métal est-il constitué ?1- Un exemple : le cuivre
Prenonscommepremierexempledemétallecuivre,puisquelaplupartdesfilsélectriquessontjustementfaitsencuivre.
L’image1représentelasurfaceducuivre,grossieenvironcentmillionsdefoisaumoyend’unappareilappelé«microscopeélectronique».
Fig. 1La surface du cuivre observée au microscope électronique (image traitée par ordinateur)
Séquence 3séance3—
—©Cned,Physique - Chimie 3e88
Àcetteéchelle,onvoitquelecuivreestunempilementdepetitestaches,régulièrement rangéeslesunesàcôtédesautres.Lesphysiciensontdémontréquechacunedecestachesreprésenteunatomedecuivre.
Tuterappellesquetuasdéjàrencontrédesatomesenclassede4e:lesmoléculesd’eau,dedioxygène,deméthane,etc.sontfaitesd’atomes.
Silecuivreestpur,touslesatomesquilecomposentsontabsolumentidentiquesentreeux.LesphysiciensetchimistesontdonnéauxatomesdecuivrelesymbolechimiqueCu.
Contrairementàcequepourraitlaissercroirel’image1,lesatomesdecuivresontenréalitéaucontactlesunsdesautres:celaapparaîtsurleschéma2quireprésentel’empilementdesatomesdecuivre.
Fig. 2
L’empilement des atomes de cuivre
2- Les autres métaux
Touslesmétauxsontconstitués,commelecuivre,d’unempilementordonnéd’atomes.
La taille des atomesUnatomeestunesphèreextrêmementpetite,commelemontrentlesinformationssuivantes:
• lediamètred’unatomedecuivreestenviron1000foispluspetitqueceluiduvirusdelagrippe,
• ilyaenviron10000000000000000000000atomesdans1grammedecuivre(dixmillemilliardsdemilliards)quel’ondoitécrire1022.
Séquence 3 —séance3
©Cned,Physique - Chimie 3e— 89
Tusaisquepourexprimerlatailledesmicrobes,virusetautresbactéries,onutilisecommeunitélemicromètre,c’est-à-direlemillionièmedemètre.Pourexprimerlatailledesatomes,onutiliseuneunitémillefoispluspetite,lenanomètre,quivautunmilliardième de mètre.Lerayond’unatomedecuivre,parexemple,vaut0,13nanomètre.
Exercice 11 Utilisel’imagedelafigure1pourdéterminerlerayond’unatomedecuivre.
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Qu’y a-t-il à l’intérieur d’un atome ?1- Le noyau et les électrons
Unatomealaformed’unesphère.Aucentredecettesphèresetrouveuneparticuleappelée«noyau»,etautourdunoyauilyadesparticulesnomméesélectrons(figure3).Touslesélectronssontidentiquesentreeux.Lesphysiciensetchimistesnesaventpasdéterminerlapositiondesélectronsautourdunoyau,maisenrevancheilssaventlescompter.Surlafigure3,letraitenpointilléindiquelalimitedelazonesphériqueoùpeuventsetrouverlesélectrons.
Selonlamatière,lenombre d’électronsestdifférent:l’atomedecuivrea29électrons,l’atomedeferena26,celuid’aluminiumena13,celuideplombena82,etc.Lenoyauluiaussi,estdifférentselonlamatière(tuverrasaulycéedequoiestconstituélenoyau).
Fig. 3Un atome de cuivre
Desexpériencesontdémontré(voirlaséance4)quelenoyauestenviron100000foispluspetitquel’atomelui-même,quiestdéjàlui-mêmeincroyablementpetit,onl’adit.Lafigure3n’estdoncpasàl’échelle:lenoyauetlesélectronsontétégrossisparrapportàlatailledel’atomeentier(lesproportionsnesontpascorrectes).
2- La charge électrique du noyau et des électrons
D’autresexpériencesontmontréquelenoyaud’unatomeaunecharge électriquepositive,tandisqueles électronsontunecharge électrique négative. Lachargepositivedunoyauestexactementcompenséeparlachargenégativedesélectrons,sibienqu’un atome entier (noyau + électrons) est électriquement neutre:sachargeélectriquevaut0.
Reprenonsl’exempled’unatomedecuivre(figure4):sonnoyauaunechargeélectriquedevaleur+29etsesélectronsontunechargeélectriquedevaleur−29(chaqueélectronaunechargeégaleà−1etilya29électrons).Autotall’atomedecuivreestbienneutre:+29−29=0.
Séquence 3séance3—
—©Cned,Physique - Chimie 3e90
Fig. 4
Comme tous les atomes, un atome de cuivre est électriquement neutre
Remarque:lesphysiciensontconstatéqueparticulesdechargenégativesontattiréesparcellesdechargepositive(c’estuneloidelanature);lesélectronssontdoncattirésparlenoyau,etc’estpourcetteraisonqu’ilsrestentautourdeluietnes’enéloignentpasbeaucoup.
Exercice 12
Sachantqu’unatomed’aluminiuma13électrons,combienvautlachargeélectriquedesonnoyau?Justifielaréponse.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
Comment le courant électrique circule-t-il dans un métal ?
Prenonsànouveaul’exempleducuivre.Nousvenonsdevoirquechaqueatomedecuivrepossède29électrons.Etquechacundecesélectrons,dotéd’unechargeélectriquenégative,estattiréparlenoyaudechargeélectriquepositive.
Mais,surces29électrons,tousnesontpasàlamêmedistancedunoyau.Ceuxquiensontplusprochessontplusfortementattirésparlenoyau,tandisqueceuxsituésàlapériphériesontmoinsfortementattirés,etvontpouvoirdanscertainescirconstances(nousallonsvoirlesquelles)quitterl’atome:onlesappelle«électrons libres»ou«électrons de conduction».
Considérons(figure5)uncircuitélectriqueconstituéd’unepileetd’unelampe,reliéespardesfilsélectriques.Cesfilssontfaitsdecuivreconducteur,entourédeplastiqueisolant.«Zoomons»surlecuivresituéàl’intérieurd’undesfils:
Séquence 3 —séance3
©Cned,Physique - Chimie 3e— 91
Fig. 5Les électrons libres en mouvement
Leschémamontrecequisepasse:les«électronslibres»sedéplacentd’atomeenatome,endirectiondelaborne+dugénérateur.C’est ce mouvement d’ensemble de tous les électrons libres qui constitue le courant électrique.
Laraisondecemouvementestsimple:lesélectronslibres,étantdechargenégative,sontrepoussésparlaborne−dugénérateur,etattirésparsaborne+.
Deuxremarquespourterminercetteséance:
- legénérateurmetenmouvementlesélectrons(c’estdoncbienluiquicréelecourantélectrique),maiscen’estpasluiquifabriquelesélectronslibres:ilssontprésentsnaturellementdanslesatomesdecuivre.
- Lesensréelducourantélectriquedanslesmétauxestdelaborne−dugénérateurverslaborne+.C’estdonclesensinversedusensconventionnel(figure6).
Fig 6Le sens réel et le sens conventionnel du courant électrique
Séquence 3séance3—
—©Cned,Physique - Chimie 3e92
•Touslesmétaux(quandilssontàl’étatsolide)sontconstituésd’unempilementordonnéd’atomes.
•Unatomeestenviron1000foispluspetit,endiamètre,qu’unvirus.
•Lerayonoulediamètred’unatomes’exprimentennanomètres.
•1nanomètrevaut1milliardièmedemètre:1nm=0,000000001m=10−9m.
•Unatomeestconstituéd’unnoyau,entouréd’électrons.
•Lenoyaud’unatomeestenviron100 000 fois plus petit quel’atomelui-même.
•Selonlamatièreconsidérée(fer,aluminium,or,etc.)l’atomen’apaslemêmenombre d’électrons,etlenoyauestdifférent.
•Lenoyauestdecharge électrique positive,etchaqueélectronestdecharge électrique négative.Autotal,unatomeestélectriquement neutrecarlachargenégativedesélectronsestexactementcompenséeparlachargepositivedunoyau.
•Dansunmétal,lecourantélectriqueestdûàundéplacement d’électrons libres.Cedéplacements’effectuedanslesens opposé ausensconventionnelducourant.
j e retiens
C Je vérifie mes connaissances
Exercice 13Coche la case correspondant à la bonne réponse, puis vérifie la correction.
Oui Non1- Touslesmétauxàl’étatsolidesont-ilsconstituésd’un
empilementordonnéd’atomes? ® ®
2- Lediamètred’unatomes’exprime-t-ilenmillimètre? ® ®
3- Dansunmètre,ya-t-ilunmilliard(109)denanomètres? ® ®
4- Est-ceque1nm=10-9m? ® ®
5- Est-cequ’unatomenecontientqu’unnoyau? ® ®
6- Lenoyauest-il10000foispluspetitquel’atome? ® ®
7- L’atomedeferetl’atomed’aluminiumdiffèrent-ilsuniquementparleursnombresd’électrons? ® ®
8- Lenoyauporte-t-ilunechargeélectriquepositiveetlesélectronsunechargeélectriquenégative? ® ®
9- Encircuitfermé,est-cequec’estledéplacementdesatomesquiestresponsableducourantélectriquedansunmétalsoumisàungénérateur?
® ®
10-Ledéplacementdesélectronsest-ilopposéausensconventionnelducourantélectrique? ® ®
Séquence 3 —séance3
©Cned,Physique - Chimie 3e— 93
Exercice 141-Faislalistesimplifiéedesdipôlesélectriquesprésentsdansunelampedepoche.
......................................................................................................................................
2-Commentlesdipôlessont-ilsmontés?
......................................................................................................................................
3-Traceleschémaélectriquedumontaged’unelampedepocheenfonctionnement.
4-Représentelesensconventionnelducourantélectriqueàl’aided’uneflèchenoiresurleschémaprécédent.
5-Toujourssurlemêmeschéma,représentelesensdedéplacementdesélectronsàl’aided’uneflècherouge.
6-Queconstates-tuconcernantlessensdesflèchesrougeetnoire?
......................................................................................................................................
7-Àquoiestdûlecourantélectriquedanslespartiesmétalliquesducircuit?
......................................................................................................................................
Séquence 3séance3—
—©Cned,Physique - Chimie 3e94
Séance 4Comment a-t-on découvert la structure de l’atome ?
A Que vais-je apprendre dans cette séance ?
ÀlafinduXIXesiècle,lessavantsavaientréussiàdémontrerquetoutematièreestfaited’atomes.C’étaitdéjàunedécouverteformidable,maisilrestaitencoreàdécouvrircequ’ilyaàl’intérieurd’unatome.Voiciquelques-unesdesexpériencesquiontpermisdemettreenévidencel’existencedesélectronsetdunoyau.
B Je découvre
Étude de document n°1
Lis attentivement les documents ci-dessous, et fais les exercices au fur et à mesure. Puis vérifie tes réponses dans le livret de corrigés.
La découverte des électrons
Pourcetteexpérience,représentéesurlafigure1,lesphysiciensontutiliséuneampouleAenverre,bienfermée,danslaquelleilsontfaitlevide(autrementditiln’yaplusd’airàl’intérieur).DanscetteampouleilsontemprisonnéunepetiteplaquerectangulairePenmétal,untourniquetTopouvantglissersurdeuxrailsR,etunetigemétalliqueTi.
QuandlaplaquePestreliéeàlabornenégatived’ungénérateurélectriqueàhautetensionG,etlatigeTiàlabornepositive,lesphysiciensobserventqueletourniquetTosemetàavancerverslatigeTi.
Fig. 1
Le tourniquet tourne grâce aux électrons qui traversent l’ampoule
Séquence 3 —séance4
©Cned,Physique - Chimie 3e— 95
Lesphysicienscomprennentalorscequisepasse:grâceaugénérateur,desparticules(invisibles)sontéjectéesdelaplaquemétalliquePetsontattiréesparlatigeTi.Etcesparticules,enheurtantletourniquet,lefonttourner.
Pourensavoirdavantage,ilfautfaireappelauxloisdel’électricité,quinousdisentque:
- desparticulesdechargenégativeserepoussent,
- desparticulesdechargepositiveserepoussent,
- desparticulesdechargescontrairess’attirent.
CommelaplaquePestreliéeàlabornenégativedugénérateur,etlatigeTiàlabornepositive,c’estdoncquelesparticulesquitraversentl’ampoulesontdechargenégative.
Enfinilresteàsavoird’oùproviennentcesparticules:lesphysiciensfontl’hypothèsequ’ellesproviennentdel’intérieurdesatomesquiconstituentlaplaqueP.Cettehypothèseseraconfirméepard’autresexpériences.
En conclusion : les atomes contiennent des particules de charge électrique négative.
En1891,lephysicienirlandaisGeorgeStoneydonneraàcesparticuleslenomd’électrons.
Exercice 15
Répondsauxquestions:
1- Danscetteexpérience,commentsait-onquedesparticulestraversentl’ampoule?
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......................................................................................................................................
2-D’oùcesparticulesproviennent-elles?
......................................................................................................................................
3- Commentsait-onquelachargeélectriquedecesparticulesestnégative?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
4-Réflexion:Pourquoifaut-ilfairelevidedansl’ampoulepourquel’expérienceréussisse?
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Séquence 3séance4—
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Étude de document n° 2
La découverte du noyauLephysicienbritanniqueErnestRutherfordmenaaudébutduXXesiècleuneséried’expériencesdestinéesàconnaîtrel’intérieurdesatomes.Sonidéeétaitlasuivante:bombarderunetrèsmincefeuillemétalliqueavecdesparticulesextrêmementpetites,dechargeélectriquepositive,appelées«particulesα»,etvoircommentellestraversent–ounetraversentpas–lafeuillemétallique.
Enpratique,Rutherfordchoisitdetravailleravecdesfeuillesd’or,carcemétalselaissefacilementécraserenfeuillestrèsfines.Ilobtintainsidesépaisseursdemoinsde1micromètre,soitseulementquelquesmilliersd’atomesd’oràtraverserpourlesparticulesα(figure2).
Fig. 2
L’expérience de Rutherford
EtvoicilerésultatdesexpériencesdeRutherford:laquasitotalitédesparticulesαtraversentlemillierd’atomesd’orsanssubirlamoindredéviation.Maisquelques-unes,trèspeunombreuses,sontfortementdéviées,etcertainesreviennentmêmeenarrière!
Voicil’analysequefaitRutherford:
- lesparticulesαquiontétédéviéesontcertainementrencontréunobstaclesituéàl’intérieurdesatomesd’or,
- cetobstacleestsûrementextrêmementpetitcartrèspeudeparticulesαsontdéviées,
- cetobstacleestvraisemblablementdechargeélectriquepositive,cequipermetd’expliquerpourquoicertainesparticulesαsontcarrémentrepousséesenarrière.
Séquence 3 —séance4
©Cned,Physique - Chimie 3e— 97
EtRutherfordconclut:aucentredechaqueatomesetrouveunnoyau,extrêmementpetit,dechargeélectriquepositive(figure3).
Fig. 3
L’interprétation de l’expérience de Rutherford
Exercice 16
Répondsauxquestions:
1- Dansl’expériencedeRutherford,comments’appellentlesparticulesprojetéessurlafeuilled’or?Quelleestleurtaille?Quelleestleurchargeélectrique?
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2- Quelleestl’épaisseurdelafeuilled’or?Combiend’atomesd’orcetteépaisseurreprésente-t-elle?
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3- CommentRutherforda-t-ilcomprisqu’aucentredesatomesd’orsetrouveunnoyautrèspetit?
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Séquence 3séance4—
—©Cned,Physique - Chimie 3e98
4- Réflexion:Parmilescomparaisonssuivantes,quelleestcellequiselontoiressembleleplusàl’expériencedeRutherford(justifie)?
- desjoueursdesquashquilancentlaballecontrelemur
- unouvrierquiprojettedusablesurungrillageàlargesmailles
- desgouttesdepluiequitombentsurlesol
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Étude de document n° 3
Les « modèles » de l’atome
Lesphysiciens,audébutduXXesiècle,étaientparvenusàcesconclusions:
- toutatomeauneformedesphère;ilestconstituéaucentred’unnoyau,entouréd’électrons,
- lesélectronssonttrèslégersparrapportaunoyau(cequiexpliquelefait,dansl’expériencedeRutherford,quelesparticulesαquipassentàl’écartdunoyaunesontpasdéviéesparlesélectrons),
- lenoyauestdechargeélectriquepositive,etlesélectronssontdechargeélectriquenégative,
- lachargepositivedunoyauestexactementcompenséeparcelledesélectrons,sibienqu’autotalunatomeestélectriquementneutre.
Lapremièrereprésentationquelesphysicienssefirentdel’atomeétaitcalquéesurlemodèledesplanètestournantautourduSoleil:pourunatome,leSoleilc’étaitlenoyau,etlesplanètesc’étaientlesélectrons.Cependantilyaunedifférenceimportante:lesplanètesdusystèmesolairetournent«àplat»dansunmêmeplanappelé«plandel’écliptique»,tandisquelesélectronstournent«envolume»autourdunoyau,cequiexpliquepourquoilesatomesontuneformesphérique.
Séquence 3 —séance4
©Cned,Physique - Chimie 3e— 99
Lafigure4représenteainsil’atomedecarbone(quipossède6électrons):
Fig. 4Le modèle planétaire de l’atome de carbone
Danslesannées1930,lesphysicienss’aperçurentquece«modèleplanétaire»(autrementditcettereprésentationbaséesurlemodèledusystèmesolaire),étaitendésaccordaveccertainesexpériences.Ilsconstruisirentalorsdesmodèlespluscomplexes,quetuétudierasdanslasuitedetesétudes.Enclassede3e,onpeutreprésenterl’atomedecettefaçon(figure5):
Fig. 5Une représentation de l’atome de carbone utilisée en classe de 3e
Lasphèreenpointillésreprésentelazoneoùpeuventsetrouverlesélectrons.
Exercice 17Exercice de réflexion :1-Citeunpointcommunentrelemodèleplanétairedel’atomeetlesystèmesolaireréel:
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2-Citedeuxdifférencesentrelemodèleplanétairedel’atomeetlesystèmesolaireréel:
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Séquence 3séance4—