Modélisation de la matière à l'échelle microscopique - Cours et exercices de Chimie, Seconde

Votre enfant est en classe de seconde et vous souhaitez l'accompagner dans sa réussite en Chimie? Pour revoir le chapitre "Modélisation de la matière à l'échelle microscopique". Bordas soutien scolaire vous propose plusieurs séquences avec des cours et des exercices. Le degré de difficulté des exercices proposés s'adapte automatiquement en fonction du niveau de l'élève. Les erreurs de votre enfant sont analysées et nous permettent de lui proposer une correction adaptée afin de l'aider à progresser.

Les notions abordées :

Molécules, atomes et ions

Pour comprendre les propriétés de la matière à notre échelle, il est nécessaire de considérer l'échelle microscopique. En effet, une espèce chimique est constituée d'un nombre très élevé d'entités chimiques dont les molécules, formée d'atomes, et les ions. Les comportements de ces entités sont responsables des propriétés des espèces chimiques.

a. Atomes et molécules

La matière est principalement constituée de molécules. Les molécules sont elles-mêmes formées d'un assemblage d'atomes. L'ensemble des atomes est répertorié dans la classification périodique, version moderne du 1^er classement créé par Mendeleïev :

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Structure de l'atome

Les propriétés de la matière s'expliquent en étudiant en détail les structures à l'échelle microscopique.

a. L'atome et son noyau

Les atomes sont les constituants ou « briques » de la matière solide, liquide ou gazeuse.

Un atome est constitué d'un noyau entouré d'électrons en mouvements rapides et désordonnées. Les atomes ont des diamètres de l'ordre du dixième de nanomètre (1nm = 1 × 10^-9m).
Les noyaux ont une taille du femtomètre (1 fm = 1 × 10^-15m).

Un atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau. Sa structure est dite lacunaire car un atome est essentiellement constitué de vide.

Le noyau est lui-même formé de particules appelées nucléons. Les nucléons sont soit des protons soit des neutrons.

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Le cortège électronique de l'atome

Les propriétés chimiques sont intimement liées aux propriétés particulières du cortège électronique.

a. Configuration électronique des atomes

Les électrons d'un atome se répartissent sur des niveaux d'énergie, appelés aussi couches électroniques. En partant du noyau de l'atome, chaque couche est numérotée dans l'ordre n = 1, 2, 3, 4... Chaque couche peut contenir un maximum de 2n² électrons.

Application :
Nombre maximum d'électrons par couche :

n = 1 : 2 × 1² = 2 ;
n = 2 : 2 × 2² = 8 ;
n = 3 : 2 × 3² = 18.

Chacune des couches est elle-même divisée en sous-couches, dénommées dans l'ordre s et p pour les atomes tels que Z est inférieur à 18.

Nombre maximum d'électrons dans chaque sous-couche :

s : 2 ;
p : 6.

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Stabilité chimique par formation d'ions ou de molécules

Les entités ne sont réactives que lorsque leur stabilité n'est pas assurée.

a. Stabilité des gaz nobles

Les gaz nobles sont les éléments de la dernière colonne du tableau périodique. Les principaux sont l'hélium He, le Néon Ne, l'argon Ar, le Krypton Kr et le Xénon Xe.

structure électronique de ces gaz : le Ne (Z= 10) a pour structure électronique 1s² 2s² 2 p⁶. L'argon (Z = 18) a pour structure 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
Les gaz nobles ont leurs couches électroniques remplies ou saturées, en particulier la couche de valence.
Cette saturation est responsable de leur stabilité

b. Stabilisation par formations d'ions

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Le modèle de Lewis

Seuls électrons « célibataires » peuvent former des liaisons de valence. Or, certains électrons sont célibataires et peuvent former des liaisons, alors que d'autres ne le sont pas. Le modèle de Lewis permet de comprendre le nombre de liaison possibles d'un atome ainsi que la structure des molécules.

a. Le modèle de Lewis

Les atomes ayant leur couche de Valence complète sont stables. Ils ne forment aucune liaison avec d'autres atomes. C'est le cas des atomes de la dernière colonne de classification, les gaz nobles. Ils existent dans la nature à l'état monoatomique. Les gaz nobles sont ainsi qualifiés de molécules monoatomiques.
Pour les autres atomes, le modèle de Lewis indique qu'il faut considérer les électrons non stabilisés, c'est-à-dire ceux de la couche de valence; les couches internes étant complètes et donc stables.

b. Schéma de Lewis et stabilisation

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Quantité de matière dans un échantillon, la mole

Détermination d'une quantité de matière

Les entités à l'échelle microscopique ont des tailles très petites. Dès que l'on en prélève un peu, un très grand nombre est emporté. La quantité de matière permet d'adapter les mesures de ces nombres à l'échelle macroscopique.

a. Nombre d'entités dans un échantillon

Prendre un morceau de sucre de 5 g revient à prendre environ 1 × 10²² molécules de saccharose. Cette quantité est énorme.
Or les réactions chimiques se produisent un très grand nombre de fois, entité par entité. Raisonner sur de telles quantité n'étant pas possible, une nouvelle échelle de grandeurs appelée la mole a été inventée.

b. Définition de la mole

La mole représente un paquet unitaire d'entités.

Définition : la mole est la quantité d'atomes de carbone contenus dans 12,0 g de carbone.
Cette valeur a été estimée pour la première fois par Avogadro qui a laissé son nom à ce nombre :
N_A = 6,02 × 10²³ mol^-1

Remarque : le symbole de l'unité s'écrit « mol » car une unité ne doit pas dépasser 3 lettres.

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