Conduction électrique et structure de la matière

Le contenu du document En classe de quatrième, nous avions déjà vu que les molécules qui nous entourent sont toutes constituées d'atomes. Mais quelle est leur structure ? Sont-ils les plus petites particules qui composent la matière ou existe-il des particules encore plus petites qui pourraient les constituer ? I - Structure de la matière 1 - L'atome 1 - Définition et caractéristiques La matière (sous forme solide, liquide ou gazeuse) est constituée d'innombrables particules invisibles à l'œil nu, appelées atomes. Si l'on devait couper la matière en morceaux, on s'apercevrait que le plus petit grain qu'il est possible d'obtenir est un atome. Ce dernier est indivisible. L'atome est donc la particule élémentaire de la matière. La dimension d'un atome est de l'ordre du dixième de nanomètre (ou mètre) ; de plus, il possède une masse approximative de l'ordre de kg. Il existe 118 différents types d'atomes, tous répertoriés dans un tableau, appelé tableau périodique de Mendeleïev. Chaque atome est représenté par un symbole chimique, qui est une lettre majuscule ; cette dernière peut être éventuellement suivie par une deuxième lettre minuscule. Tous les atomes d'un même élément sont identiques et possèdent les mêmes propriétés physiques et chimiques. Pour représenter une molécule, un modèle moléculaire est généralement utilisé ; chaque atome qui la compose y est symbolisé par une sphère de couleur distincte qui permet de le différencier des autres atomes. Pour les éléments les plus courants, le code couleur suivant est toujours respecté :

2 - Constitution de l'atome En classe de troisième, une représentation simplifiée appelée modèle planétaire permet de décrire la structure d'un atome. Ce dernier est toujours constitué :

• D'un noyau central, chargé positivement. Ce noyau, de forme sphérique, possède un diamètre de l'ordre de mètre ; il est 100 000 fois plus petit que l'atome auquel il appartient.
• D'un ou plusieurs électrons qui gravitent autour du noyau, sur des trajectoires circulaires. Même s'ils appartiennent à des atomes différents, ces électrons sont tous identiques et portent une unique charge électrique négative. Ils sont généralement notés . Leur taille est nettement plus petite que celle du noyau. Leur masse très faible est évaluée à kg.

La presque totalité de la matière de l'atome (99,97%) est concentrée à l'intérieur du noyau ; les électrons, de masse négligeable, ne représentent que 0,03% de cette matière et tournent autour de ce noyau, dans le vide. L'atome est toujours électriquement neutre : le nombre de charges positives contenues dans le noyau est égal au nombre d'électrons mobiles autour de ce dernier. Pour conclure, il faut bien retenir que tous les atomes du tableau périodique présentent une structure électronique différente qui permet de les distinguer les uns des autres : chacun des atomes possède un nombre de charges positives porté dans le noyau différent des autres éléments chimiques. Du fait de l'électroneutralité de l'atome, chaque type d'atome possède donc un nombre d'électrons différent, toujours égal à celui des charges positives. Cela revient à dire que les 118 atomes existant dans le tableau périodique présentent tous des constitutions différentes. 3 - Comment déterminer la constitution d'un atome ? A partir du tableau périodique des éléments chimiques, il est possible de déterminer le nombre de charges positives d'un atome et d'en déduire ensuite le nombre d'électrons qui gravitent autour de son noyau. Etudions l'exemple de l' atome d'azote pour illustrer la méthode à employer. Cette méthode sera valable pour tous les autres types d'atomes. Au centre de chaque case du tableau, est toujours représenté le symbole chimique ; pour notre exemple, l'azote, c'est la lettre majuscule N. En dessous de celle-ci, est écrit le nom de l'atome. Pour finir, en haut et à gauche du symbole chimique, est toujours noté le numéro atomique : ce dernier correspond au nombre de charges positives élémentaires portées dans le noyau. L'atome d'azote possède un numéro atomique égal à 7 et porte ainsi 7 charges positives. Par conséquent, grâce à l'électroneutralité de l'atome, il est possible de déduire le nombre d'électrons de l'azote : 7 électrons tournent autour de son noyau. Le modèle planétaire de l'atome d'azote peut finalement être dessiné et est représenté sur la figure suivante : 2 - La molécule Une molécule est un ensemble d'atomes identiques ou différents, reliés entre eux par des liaisons chimiques. A titre d'exemples, l'eau , le dioxygène ou encore le dioxyde de carbone sont des molécules. Les atomes, qui sont électriquement neutres (cf. paragraphe 1.1b) composent les molécules ; par conséquent, ces dernières sont également électriquement neutres. Chaque molécule est définie grâce à une formule chimique qui contient :

• Le type d'atomes qui la constitue. Ces atomes sont représentés par leur symbole chimique.
• Le nombre d'atomes de chaque élément présent dans la molécule. Ce nombre est représenté en indice, après chaque symbole chimique. Lorsqu'il n'y a qu'un atome pour un élément chimique, le chiffre 1 n'est pas noté. Par exemple, la formule chimique du méthane est . Le méthane est donc constitué d'un atome de carbone et de quatre atomes d'hydrogène.

Pour finir, une molécule peut être aussi représentée grâce à un modèle moléculaire , où chacun de ses atomes est symbolisé par une sphère de couleur (cf. paragraphe 1.1a). 3 - Les ions et les solutions ioniques 1 - Les ions Dans le paragraphe 1.1b, nous avons abordé la constitution de l'atome autour duquel gravitent des électrons. Lors de certaines réactions chimiques ou lorsqu'ils sont soumis à un rayonnement lumineux, les atomes ou les molécules peuvent gagner ou perdre des électrons. Un ion est un atome ou une molécule qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. C'est une particule électriquement chargée. Lorsqu'un atome (ou groupe d'atomes) perd des électrons, il devient un ion chargé positivement, appelé cation ; le nombre d'électrons perdus correspond à la charge portée par l'ion. Prenons comme exemple un atome de Mg qui devient un ion : L'atome de magnésium a un numéro atomique égal à 12 ; il possède donc 12 charges positives dans son noyau et 12 électrons qui gravitent autour de lui. Lorsqu'il perd deux électrons, il se transforme en ion qui ne possède plus que 10 électrons. Le modèle planétaire de cet ion est représenté sur la figure précédente. En revanche, lorsqu'un atome (ou un groupe d'atomes) gagne des électrons, il se transforme en un ion négatif, appelé anion. Le nombre d'électrons gagnés correspond à la charge portée par l'ion. Etudions l'ion fluorure : L'atome de fluor possède 9 charges positives dans son noyau et donc 9 électrons dans son environnement. Lorsqu'il gagne un électron, il devient l'ion monochargé , dont le modèle planétaire est représenté précédemment. L'ion F - possède ainsi 10 électrons. Que ce soit pour un cation ou un anion, le nombre de charges positives portées par le noyau ne varie jamais. C'est le nombre d'électrons qui change. A noter aussi qu'un ion est dit monoatomique lorsqu'il est constitué d'un seul atome ; par exemple, les ions , , sont des ions monoatomiques. Un ion peut aussi se former à partir d'un ensemble constitué de plusieurs atomes : dans cette situation, il est appelé ion polyatomique. A titre d'exemples, les ions , ou sont dits polyatomiques. 2 - Les solutions ioniques Une solution ionique est une solution aqueuse contenant des ions. Elle est toujours électriquement neutre : elle contient donc autant de charges positives que de charges négatives, ces charges étant portées par les ions présents dans la solution. Prenons comme premier exemple le chlorure de sodium : lorsque ce sel se dissout dans l'eau, il va libérer les ions et . Il y aura autant d'ions que d'ions car leurs charges se compensent. La formule chimique de la solution de chlorure de sodium s'écrit donc ( + ). En revanche, après dissolution de chlorure de fer (II) dans l'eau, les ions libérés en solution sont et . L'ion porte deux fois plus de charges positives que l'ion ; pour compenser ces charges positives, il y a donc deux fois plus d'ions en solution. La formule chimique de la solution de chlorure de fer (II) s'écrit donc ( + ). II - Conductivité électrique 1 - Conductivité électrique dans les métaux 1 - Caractère conducteur des métaux Les métaux présentent la même propriété : ils conduisent tous le courant électrique (puisqu'ils possèdent une haute conductibilité électrique). Pour le confirmer, l'expérience représentée sur la figure suivante a été réalisée : une pile électrique est reliée à une plaque métallique et à une lampe. Plusieurs métaux sont testés et comparés ensuite à d'autres matériaux (bois, plastique) qui sont isolants. Les résultats obtenus sont résumés dans le tableau ci-dessous : Cette expérience confirme bien le caractère conducteur des métaux : en effet, en présence d'une lame métallique, un courant électrique circule bien dans tout le circuit puisque la lampe s'allume. Par contre, la lampe reste éteinte en présence des matériaux isolants ( rappel : un matériel isolant n'est pas capable de conduire le courant électrique). Pour conclure, tous les matériaux ne sont pas conducteurs. En revanche, tous les métaux, sans exception, conduisent le courant électrique (c'est-à-dire qu'ils sont capables de laisser circuler le courant). 2 - Comment expliquer la conductivité électrique des métaux ? Si on observait à l'échelle microscopique la structure d'une lame métallique, on s'apercevrait que cette dernière est composée d'atomes tous identiques, bien rangés et alignés. Ces atomes possèdent une majorité d'électrons qui restent fortement liés à leur noyau et qui ne peuvent donc pas le quitter. Cependant, un ou deux électrons par atome métallique sont capables de bouger et de se déplacer avec facilité vers d'autres atomes : ce sont des électrons libres. Sur les schémas suivants, étudions de plus près le comportement de ces électrons libres lorsque la lame métallique est introduite au sein d'un circuit électrique composé d'une pile, d'une lampe et d'un interrupteur. Lorsque l'interrupteur est ouvert, aucun courant électrique ne circule dans le circuit (l'ampèremètre indique une intensité nulle). Dans cette situation, les électrons libres du métal se déplacent de manière désordonnée autour de leurs noyaux, en allant d'un atome à un autre. En revanche, lorsque l'interrupteur est fermé, la lame métallique est soumise à une tension électrique. Les électrons libres du métal se déplacent alors de la borne négative à la borne positive de la pile, tous ensemble et dans un mouvement ordonné. Dans ce circuit, l'ampèremètre mesure une intensité électrique : c'est ce mouvement ordonné des électrons libres qui permet la circulation du courant électrique et qui explique la capacité de conductivité électrique des métaux. A noter que le mouvement des électrons est opposé au sens conventionnel du courant électrique qui circule de la borne + à la borne - de la pile. A la différence des métaux, les matériaux isolants ne possèdent pas d'électrons libres, c'est pourquoi ils ne sont pas capables de laisser circuler le courant électrique. 2 - Conductivité électrique dans les solutions aqueuses Pour déterminer si une solution aqueuse est conductrice (c'est-à-dire si elle laisse circuler le courant), réalisons l'expérience suivante : deux lames métalliques, appelées électrodes, sont plongées dans la solution aqueuse à tester. Une des lames métalliques est reliée à une lampe, elle-même reliée à la borne négative de la pile. L'autre électrode est mise en contact avec la borne positive de cette pile. Un ampèremètre permet de mesurer l'intensité du courant électrique qui pourrait circuler dans ce circuit. Plusieurs solutions aqueuses sont testées successivement :

• De l'eau déminéralisée et de l'eau du robinet : ces deux solutions ne contiennent quasiment pas d'ions.
• De l'eau sucrée ; cette eau contient du glucose, de formule chimique . Cette molécule est neutre.
• U
  ne solution aqueuse de NaCl (contenant les ions et ) et une solution aqueuse de (contenant les ions et ) ; ce sont donc des solutions ioniques.

Aucune intensité n'est mesurée dans ce circuit électrique en présence de l'eau déminéralisée, de l'eau du robinet et de l'eau sucrée : la lampe reste donc éteinte. En revanche, les solutions de NaCl et sont conductrices : en effet, lorsqu'elles sont utilisées, la lampe s'allume, prouvant que ces solutions sont capables de laisser passer le courant. C'est donc en présence de solutions ioniques qu'un courant électrique est capable de circuler dans ce circuit : les ions sont donc responsables de cette conductivité et permettent la circulation du courant. En observant de plus près, on peut observer une double circulation d'ions dans la solution ; les ions positifs (comme ou ) sont attirés par la borne négative de la pile et se déplacent dans le même sens conventionnel que le courant électrique. Par contre, les anions (tels que ou ) se déplacent vers la borne positive de la pile, dans le sens opposé du courant ; ils bougent dans le même sens que les électrons. Le courant électrique est dû à cette circulation d'ions. Pour conclure, toutes les solutions aqueuses ne sont pas conductrices ; seules les solutions ioniques en sont capables. 3 - Conclusion sur la conductivité Pour résumer, c'est un déplacement ordonné d'électrons (libres) qui permet la conductivité dans les métaux. Quant à la conductivité dans les solutions aqueuses, elle est due à un déplacement d'ions. Fin de l'extrait

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