II)Matériaux et électricité

                                            

Objectifs:

Connaître l'historique des modèles de l'atome

Décrire la constitution d'un atome

Décrire la constitution d'un ion à partir d'un atome

Connaître les ordres de grandeur des constituant d'un atome

Décrire la nature du courant électrique dans un métal

Décrire la nature du courant électrique dans une solution ionique

Pourquoi le courant électrique circule-t-il dans un métal ?

1)Historique des modèles de l’atome

Étude de documents

Un modèle est un "outil" qui permet de prévoir et d'interpréter certains phénomènes réels.

Un modèle scientifique est toujours provisoire. En effet, au fil des découvertes et des perfectionnements de l'instrumentation, un nouveau modèle devient nécessaire lorsque les faits ne peuvent être expliqués avec l'ancienne théorie.

 
Démocrite (-460-370) Aristote (-384-322)  Dalton (1766-1844) Avogadro(1776-1856)

Faraday(1791-1867) Thomson(1856-1940) Rutherford(1871-1937) De Broglie (1892-1927)

2) La matière est constituée à partir d’atomes

 

Tous les corps sont constitués à partir de particules infiniment petites : les atomes.

Les dimensions d’un atome sont de l’ordre de 0, 1 nanomètre. 1 nm = 10-9 m.

Un atome est constitué d’un noyau et d’un nuage d'électrons qui gravitent autour de lui.

                                                           

Un électron est une particule chargée d’électricité négative. Symbole e-. On l’appelle charge électrique élémentaire car c’est la plus petite charge électrique connue.

Chaque type d’atome possède un nombre déterminé d’électron que l’on appelle numéro atomique symbole Z.

L’atome le plus simple est l’atome d’Hydrogène il possède 1 électron.

Tous les électrons sont identiques quelque soit l’atome dont ils proviennent.

 

Le noyau porte des charges électriques positives. Ses dimensions sont environ 100 000 fois plus petites que celle de l’atome mais sa masse vaut plusieurs milliers de fois celle des électrons.

 

Un atome est électriquement neutre. C’est à dire qu’il possède autant de charges positives dans son noyau que d’électrons.

 

3) Classification périodique des éléments

Mendeleïev a classé les atomes par nombre croissant d’électrons. C’est la classification périodique des éléments .

                                                                        

L’atome de fer possède 26 électrons et 26 charges + dans son noyau.

 

4) Les ions

Les étiquettes d’eau minérales observées en 4° montraient la présence d’ions de 2 types (positifs ou négatifs)

exemples: l’ion chlorure Cl- et l’ion sodium Na+

 

Un ion positif ou cation  est un atome ou groupe d’atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.

Exemple: l’atome de Sodium Na possède 11 e- et 11 charges + dans son noyau.

Il peut perdre un e- et devenir  l’ion sodium Na + qui possède 10 e- et 11 charges + dans son noyau.

 

Ca           Z=20  20 électrons et 20 charges + peut devenir l’ion Ca 2+ (18 e- et 20 charges + ) en perdant 2 e-

 

Al  Z= 13 (13 e- et 13 charges +) peut perdre 3 e- et devenir l’ion Al 3+ (10  e- et 13 charges +)

 

Un ion négatif ou anion est un atome ou groupe d’atomes qui a capté un ou plusieurs électrons.

Ex: l’atome de chlore Cl (17 e- et 17 charges +) peut capter un e- et devenir l’ion chlorure Cl (18 électrons et 17 charges +).

 

Il existe des ions plus complexes formés à partir de plusieurs atomes ex

Ion sulfate SO4 2-

 

Ion nitrate  NO3-

 

Ion carbonate  CO32-

Les ions possèdent le même noyau que l’atome correspondant et un nombre d’électrons différent.

 

5) Le courant électrique dans les métaux

Tous les métaux conduisent le courant électrique. Les atomes des métaux possèdent des électrons périphériques faiblement liés au noyau. Ces électrons peuvent quitter l’atome et se déplacer dans le métal. On les appelle électrons libres.

Sous l’action d’une tension électrique ces électrons libres prennent un mouvement d’ensemble vers la borne  positive du générateur. C’est le courant électrique. 

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

 

6) Le courant électrique dans les solutions

Une solution conduit le courant électrique si elle contient des ions. On l’appelle électrolyte. 

Une solution ionique est électriquement neutre. 

Les charges électriques portées par les ions positifs compensent les charges électriques portées par les ions négatifs

 exemple: une solution d’eau salée contient des ions Na+ et des ions Cl-. Elle contient autant d’ions Na+ que d’ions Cl-.

Une solution de chlorure d’aluminium contient des ions Cl- et des ions Al 3+. Elle contient 3 fois plus d’ions Cl- que d’ions Al 3+  pour assurer l’électroneutralité.

. Ex 14 p 32

 

 

Réalisons une expérience de migration des ions.

 

 On ferme le circuit:

 

Après quelques minutes on constate qu’une tache bleue s’étend vers la  cathode et une tache violette vers l’anode. 

Les ions positifs Cu 2+ (responsables de la couleur bleue) ont migré vers l'anode tandis que les ions négatifs MnO4-(responsables de la couleur violette) ont migré vers la cathode.

Le courant électrique dans une solution est du à la double migration des anions et des cations se déplaçant en sens inverse.  

exemple d'une solution de chlorure de sodium: Na+  + Cl-

 

7)Retrouver la formule d’un ion à partir de l’atome

Voir fiche méthode p 30

Ex 19 p 33

 

8) Activité expérimentale p 28 Réaliser un dépôt de métal par électrolyse

 

9) Activité documentaire p 29 L’électricité au cœur de la matière.