© Eric Fourel, certifié de sciences physiques 2008

Chapitre 2 : La conduction électrique Pour faire la transition entre l'électricité et la chimie, voyons comment se fait la conduction

électrique dans les matériaux, solides ou liquides…

I) Conduction dans un solide 1) Quels solides conduisent le courant électrique?

Reprenons une expérience de 5ième

. Bien distinguer un objet et un matériau

Un matériau est une matière dans laquelle un objet est fait

Act 1 p 22:

Reprendre les métaux usuels étudiés dans le chapitre précédent (fer, zinc, cuivre, aluminium,

argent et or) et pour la seconde expérience, prendre du verre, plastique, sucre, sel, sulfate de

cuivre.

1) Avec une tige métallique, la lampe brille normalement et l'ampèremètre indique 98,4 mA

2) Avec une tige en verre, la lampe ne brille pas et l'ampèremètre indique 0 mA

3) Les métaux laissent passer le courant électrique, ce sont des matériaux conducteurs

4) Les matériaux non métalliques ne laissent généralement pas passer le courant, ce sont des

matériaux isolants

5) Conclusion: Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique

On distingue les matériaux:

Conducteurs: ils laissent passer le courant électrique avec une faible résistance. Il y

a les métaux mais aussi quelques rares autres matériaux comme le graphite.

Isolants: ils ne laissent pas du tout passer le courant électrique, ce qui correspond à

une résistance infiniment grande

Remarques: Il existe aussi des matériaux aux propriété particulières:

Les supraconducteurs qui laissent passer le courant sans aucune résistance (voir

activité 2 p28)

Les semi-conducteurs qui ne laissent passer le courant que lorsqu'on leur applique

une tension extérieure. (activité 2 p 29). Ils servent alors d'interrupteur et sont

utilisés en informatique pour la fabrication des processeurs

Les mauvais conducteurs comme le corps humain, ils laissent passer le courant

mais avec une résistance assez grande

2) Interprétation de la conduction électrique dans les métaux

Activité documentaire 1 p28

1) Les rayons observés par Crookes sont appelés cathodiques car c'est à la cathode (borne

reliée au moins du générateur) qu'il observe une fluorescence du verre.

2) Jean Perrin a montré que ces rayons étaient porteurs de charges négatives en 1895 en

approchant des objets électrisés. En approchant des objets chargés positivement, le rayon se

rapproche et en approchant un objet électrisé négativement, le rayon s'éloigne.

En 1897, JJ Thomson prouve que ces rayons sont constitués de petites particules dont il

mesure la masse.

3) L'émission d'électrons dans le tube de Crookes s'accompagne d'un rayonnement

électromagnétique intermittent de haute énergie appelé rayonnement X.

Conclusion: La conduction électrique dans les métaux est dû à un déplacement d'électrons

dans le métal. Les électrons (e-) sont des particules chargées négativement

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II) Conduction dans un liquide (solution aqueuse) 1) Quelles solutions conduisent le courant électrique

Le courant peut aussi traverser les liquides. Nous aller étudier le cas des solutions aqueuses,

c'est-à-dire des liquides constitués à partir d'eau.

Prenons l'activité 2 p 23:

1) avec de l'eau sucrée, distillée ou de l'éthanol, la lampe ne brille pas et l'ampèremètre

indique 0 mA

2) avec de l'eau salée, une solution aqueuse de sulfate de cuivre ou de l'eau du robinet, la

lampe brille (pas avec l'eau du robinet) et l'ampèremètre indique une intensité de quelques

dizaines de mA.

3) L'eau sucrée (ou distillée ou alcool) est une solution isolante

4) L'eau salée ou la solution de sulfate de cuivre et dans une moindre mesure l'eau du robinet

sont des solutions conductrices.

5 Conclusion: Toutes les solutions ne conduisent pas le courant. On distingue:

Des solutions isolantes telles que l'eau sucrée, l'alcool ou l'eau distillée. Ces

solutions sont moléculaires, c'est-à-dire constituées de molécules uniquement (voir

cours de 4ième

)

Des solutions conductrices telles que l'eau du robinet, l'eau sale ou la solution de

sulfate de cuivre. Voyons maintenant de quoi sont constituées ces solutions.

2) Interprétation de la conduction électrique dans les solutions

Les solutions moléculaires sont exclusivement constituées de molécules, électriquement

neutres et donc incapables de conduire le courant électrique. Les solutions qui conduisent le

courant électrique doivent posséder des particules électriques capables de se déplacer. Or les

électrons vus au paragraphe précédent ne sont pas contenus dans les solutions.

Activité 3 p 24

1) La borne reliée au "+" est connectée avec un fil rouge (anode) et celle reliée au "-" est

connectée avec un fil noir (cathode). Le courant dans les fils va du "+" vers le "-"

2) La tâche bleue va vers la borne "-" et la violette vers le "+". On peut aussi faire passer du

courant dans une solution de sulfate de cuivre et constater un dépôt de cuivre à la borne "-".

3)

4) Les ions qui se déplacent vers la borne + sont les ions de permanganate de potassium

(négatifs) et les ions qui se déplacent vers la borne – sont les ions de sulfate de cuivre bleu

(positifs).

5) Conclusion: Les ions sont des particules contenues dans la solution. On l'appelle alors

solution ionique.

* Les ions positifs se déplacent vers la borne – en sens inverse du sens des électrons

* les ions négatifs se déplacent vers la borne + dans le même sens que les électrons

Borne +

Sens du

courant

Borne –

Sens des électrons

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III) Constitution d'un atome 1) Dimensions d'un atome

Nous avons vu en 4ième

que la matière était constituée de molécules mais aussi d'atomes. Il en

existe une centaines de sortes (C, O, H, N…). Quelles sont ses dimensions

Activité 1 p 38

1) Dans un métal comme l'or, les atomes sont rangés et soigneusement alignés.

2) Sur la figure 2, 10 atomes ont une longueur de 62 mm

3) la distance entre deux rangées et à peu près équivalente au diamètre d'un atome

4) nous savons donc le diamètre d'un atome sur le doc2 vaut 62/10=6,2 mm

Comme il est agrandi 13 millions de fois, le diamètre d'un atome vaut 13 millions de fois

moins soit 6,2.10-3

/ 13.106 = 4,8.10

-1.10

-3.10

-6 = 4,8.10

-10 m

5) Conclusion: un atome a un diamètre de quelques angströms soit quelques fois 10-10

m.

2) Constitution et neutralité électrique d'un atome

Une atome est électriquement neutre. Il est composé d'un noyau chargé d'électyricité positive

et d'électrons e- tournant autour de ce noyau.

Comme l'atome est neutre, le nombre d'électrons tournant autour d'un noyau est égal au

nombre de charges positives contenues dans celui-ci

Voir exemples activité 3 p 40

C'est le noyau et son nombre de charges positives qui indique à quelle espèce appartient

l'atome (voir livre en 3ième

de couverture)

Exemple: (choisi par les élèves pour montrer le caractère général de la situation)

J'ai 25 charges positives dans mon noyau, j'appartiens à l'espèce manganèse Mn

Si je suis l'atome de manganèse, je suis neutre et je possède donc 25 électrons

Les atomes et molécules sont toujours neutres

Noyau de

Mn avec 25

charges +

e-

-

e-

-

e-

-

e-

-

e-

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e-

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e-

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- e

-

- e-

-

e-

-

e-

-

e-

-

e-

-

e-

-

L'atome de

manganèse

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3) Formation d'un ion

Les ions rencontrés au paragraphe précédent sont des particules chargées issues des atomes.

Comment cela se passe-t-il?

Activité 3 p 40

1) L'atome de sodium possède 11 électrons mais seulement 10 pour l'ion sodium. Les 2

appartiennent à l'espèce sodium et possèdent donc 11 charges positives dans leur noyau

2) L'atome de chlore possède 17 électrons mais 18 pour l'ion chlorure. Les 2 appartiennent à

l'espèce chlore et possèdent donc 17 charges positives dans leur noyau

3) Pour l'ion sodium, on fait 11-10= +1, il y a une charge positive.

4) Pour l'ion chlorure, on fait 17-18 = -1, il y a une charge négative

5) Les atomes ont donc le même nombre de charges + et – alors que les ions n'en ont pas le

même nombre. Du coup les ions ne sont pas neutres.

6) symbole du sodium: Na et on indique en exposant la charge restante soit Na+

symbole du chlore: Cl et on indique en exposant la charge restante soit Cl-

7) Conclusion: Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons. Il n'est donc pas

neutre.

* si l'atome a perdu des électrons, il est chargé + et s'appelle un cation. On l'écrit avec

le symbole de son espèce et le nombre de charges + en exposant

* si l'atome a gagné des électrons, il est chargé - et s'appelle un anion. On l'écrit avec

le symbole de son espèce et le nombre de charges - en exposant.

Seuls les électrons et les ions sont chargés et sont donc capables de créer un courant électrique

Voir aussi l'activité 4 p 41

Conclusion finale: Le courant électrique est dû:

A un déplacement d'électrons dans le sens opposé au sens conventionnel du

courant dans un métal (ou un solide)

A un double déplacement d'ions dans une solution aqueuse