Séance 1 Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie...

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—

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.

Séquence 3 —séance1

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.

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 :

- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).

- 1centimètre-cubedezinc(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse7,1grammes.

- Lezincs’oxydeaucontactdel’airhumide:l’oxydedezincestdel’hydrocarbonatedezinc.

- Lezincfondà419°C.

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 :

- Ilconduitlecourantélectriqueetlachaleur(commetouslesmétaux).C’estmêmeuntrèsbonconducteur,àconditionqu’ilsoittrèspur.

- 1centimètre-cubed’aluminium(c’est-à-direuncubede1centimètred’arête)pèse2,7grammes.

- L’aluminiums’oxydeaucontactdel’airhumide:cetoxydedezincs’appellel’alumine.

- L’aluminiumfondà660°C.

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.

......................................................................................................................................

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)

Or non doré pasd’oxydation 19,3gArgent non grisclair noir 10,5g

j e retiens

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=

24 ×MoùMestlamassetotalede

l’alliage.

Pourncarats,laformuledevientalors:mor=

Pourunbraceletde40get18carats,calculemorlamassed’or,etmcuivrelamassedecuivre.

......................................................................................................................................

Séance 2Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ?

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.

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.

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

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

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?

......................................................................................................................................

2-Faisleschémaélectriquedumontageenprésentantunesituationd’éclatdelaDEL.

......................................................................................................................................

3-PrévoislecomportementdelaDEL(éclatounon)aveclessolidessuivantencochantlescases.

État de la DELBrille Ne brille pas

Métal ® ®

Sucre ® ®

Carbone(graphite) ® ®

Sulfatedecuivre ® ®

Liège ® ®

Séance 3Comment le courant électrique circule-t-il dans les métaux ?

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)

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.

Tusaisquepourexprimerlatailledesmicrobes,virusetautresbactéries,onutilisecommeunitélemicromètre,c’est-à-direlemillionièmedemètre.Pourexprimerlatailledesatomes,onutiliseuneunitémillefoispluspetite,lenanomètre,quivautunmilliardième de mètre.Lerayond’unatomedecuivre,parexemple,vaut0,13nanomètre.

Exercice 11 Utilisel’imagedelafigure1pourdéterminerlerayond’unatomedecuivre.

......................................................................................................................................

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.

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:

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

•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

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? ® ®

Exercice 141-Faislalistesimplifiéedesdipôlesélectriquesprésentsdansunelampedepoche.

......................................................................................................................................

2-Commentlesdipôlessont-ilsmontés?

......................................................................................................................................

3-Traceleschémaélectriquedumontaged’unelampedepocheenfonctionnement.

4-Représentelesensconventionnelducourantélectriqueàl’aided’uneflèchenoiresurleschémaprécédent.

5-Toujourssurlemêmeschéma,représentelesensdedéplacementdesélectronsàl’aided’uneflècherouge.

6-Queconstates-tuconcernantlessensdesflèchesrougeetnoire?

......................................................................................................................................

7-Àquoiestdûlecourantélectriquedanslespartiesmétalliquesducircuit?

......................................................................................................................................

Séance 4Comment a-t-on découvert la structure de l’atome ?

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

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?

......................................................................................................................................

2-D’oùcesparticulesproviennent-elles?

......................................................................................................................................

3- Commentsait-onquelachargeélectriquedecesparticulesestnégative?

......................................................................................................................................

4-Réflexion:Pourquoifaut-ilfairelevidedansl’ampoulepourquel’expérienceréussisse?

......................................................................................................................................

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.

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?

......................................................................................................................................

2- Quelleestl’épaisseurdelafeuilled’or?Combiend’atomesd’orcetteépaisseurreprésente-t-elle?

......................................................................................................................................

3- CommentRutherforda-t-ilcomprisqu’aucentredesatomesd’orsetrouveunnoyautrèspetit?

......................................................................................................................................

4- Réflexion:Parmilescomparaisonssuivantes,quelleestcellequiselontoiressembleleplusàl’expériencedeRutherford(justifie)?

- desjoueursdesquashquilancentlaballecontrelemur

- unouvrierquiprojettedusablesurungrillageàlargesmailles

- desgouttesdepluiequitombentsurlesol

......................................................................................................................................

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.

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:

......................................................................................................................................

2-Citedeuxdifférencesentrelemodèleplanétairedel’atomeetlesystèmesolaireréel:

......................................................................................................................................

Séance 1 Quels métaux y a-t-il dans les objets de la vie...

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