M. VERHILLE — Physique-Chimie · 3ème
Objectifs et compétences
Objectifs du chapitre, en lien avec le programme de cycle 4 (BO n° 31 du 30 juillet 2020) :
- Décrire la constitution et les états de la matière
- Utiliser le tableau périodique pour retrouver des informations
Compétences du socle :
- D1.3 : Utiliser les langages scientifiques (notation
) - D4 : Systèmes naturels et techniques
À la fin de ce chapitre, l'élève sait :
1. La classification périodique
Repère documentaire : utiliser le numéro atomique Z pour identifier les protons. Les illustrations d’usage n’indiquent pas la composition complète des objets.
Les éléments chimiques sont regroupés dans le tableau périodique par ordre croissant de numéro atomique Z et par propriétés chimiques proches. Il donne des informations sur la composition, les masses et les propriétés des atomes.
| Élément | Symbole | Numéro atomique Z |
|---|---|---|
| Hydrogène | H | 1 |
| Hélium | He | 2 |
| Lithium | Li | 3 |
| Carbone | C | 6 |
| Azote | N | 7 |
| Oxygène | O | 8 |
| Sodium | Na | 11 |
| Silicium | Si | 14 |
| Fer | Fe | 26 |
Le tableau périodique donne Z, mais ne suffit pas à fixer A : un élément peut avoir plusieurs isotopes.
2. Constitution d'un atome
Un atome est composé d’un noyau et d’électrons. On distingue trois types de constituants :
| Particule | Symbole | Charge | Localisation |
|---|---|---|---|
| Proton | p⁺ | positive | noyau |
| Neutron | n | neutre | noyau |
| Électron | e⁻ | négative | nuage électronique |
Nucléon = proton ou neutron (particule du noyau)
Un atome est électriquement neutre donc pour un atome : nombre de protons = nombre d'électrons.
3. Notation
- A = nombre de nucléons (protons + neutrons) = nombre de masse
- Z = nombre de protons = numéro atomique
- X = symbole de l'élément
Nombre de neutrons = A − Z
Exemples
| Atome | A | Z | Protons | Neutrons | Électrons |
|---|---|---|---|---|---|
| ¹₁H | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| ⁴₂He | 4 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| ²³₁₁Na | 23 | 11 | 11 | 12 | 11 |
| ¹²₆C | 12 | 6 | 6 | 6 | 6 |
| ¹⁹₉F | 19 | 9 | 9 | 10 | 9 |
| ⁷₃Li | 7 | 3 | 3 | 4 | 3 |
4. Représentation des atomes
Ces dessins servent au comptage ; les dimensions et les trajectoires circulaires ne sont pas une représentation exacte de l’atome.
Un modèle représente le noyau au centre et les électrons autour. Il ne respecte pas les distances réelles. Pour ¹₁H : 1 proton et 1 électron ; pour ⁴₂He : 2 protons, 2 neutrons et 2 électrons. Les trajectoires circulaires ne sont pas une description exacte du mouvement des électrons.
5. Dimensions et masses
Les cercles et distances du dessin ne sont pas à l’échelle. Les valeurs écrites sont des ordres de grandeur ; utiliser les nombres donnés dans chaque exercice.
| Grandeur | Valeur |
|---|---|
| Taille de l'atome | ~10⁻¹⁰ m |
| Taille du noyau | ~10⁻¹⁵ m |
| Rapport | Dans ces ordres de grandeur, le diamètre du noyau est 100 000 fois plus petit : structure lacunaire, sans pourcentage de vide déduit |
| Masse du nucléon | 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Masse de l'électron | 9,1 × 10⁻³¹ kg (négligeable) |
6. Les éléments dans l'Univers
Abondance cosmique
La matière ordinaire (atomes et ions) de l’Univers contient principalement deux éléments chimiques. Les valeurs suivantes sont des approximations en masse ; elles ne décrivent ni la matière noire ni l’énergie noire :
| Élément | Symbole | Abondance dans la matière ordinaire |
|---|---|---|
| Hydrogène | H | ~75% de la masse |
| Hélium | He | ~23% de la masse |
| Tous les autres éléments | O, C, Fe, Si... | ~2% |
L’hydrogène et l’hélium représentent ensemble environ 98 % de la masse de la matière ordinaire de l’Univers.
Nucléosynthèse stellaire
Les éléments lourds (carbone, oxygène, fer, silicium...) sont fabriqués à l'intérieur des étoiles par des réactions de fusion nucléaire :
- Les étoiles fusionnent l'hydrogène en hélium (comme le Soleil)
- Les étoiles massives fabriquent ensuite des éléments plus lourds : carbone, oxygène, fer...
- Lors de l'explosion d'une étoile massive (supernova), ces éléments sont dispersés dans l'espace et forment de nouvelles étoiles, planètes et... nous !
Nous sommes faits de poussière d'étoiles : le carbone de nos cellules, le fer de notre sang, le calcium de nos os ont été fabriqués dans des étoiles mortes il y a des milliards d'années.
Composition de la Terre vs composition d'une étoile
| Élément | Terre (croûte) | Soleil (étoile) |
|---|---|---|
| Hydrogène (H) | faible | ~75% |
| Hélium (He) | traces | ~23% |
| Oxygène (O) | ~46% | ~1% |
| Silicium (Si) | ~28% | traces |
| Fer (Fe) | ~5% (noyau : ~80%) | traces |
| Carbone (C) | traces | ~0,3% |
La matière est partout de même nature (mêmes atomes, mêmes éléments) mais les proportions diffèrent selon l'objet céleste.
Bilan — Ce qu'il faut retenir
| Notion | Définition | Formule |
|---|---|---|
| Atome | Particule composée d'un noyau (protons + neutrons) et d'électrons ; électriquement neutre | — |
| Proton / Neutron | Particules du noyau appelées nucléons ; le proton porte une charge positive, le neutron est neutre | — |
| Électron | Particule de charge négative située dans le nuage électronique ; masse négligeable | — |
| Numéro atomique Z | Nombre de protons dans le noyau ; définit l'élément chimique | Z = nombre de protons |
| Nombre de masse A | Nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau | A = Z + nombre de neutrons |
| Notation |
Écriture symbolique d'un atome : A en haut, Z en bas, X symbole de l'élément | Neutrons = A − Z |
| Abondance cosmique | Environ 98 % de la masse de la matière ordinaire est constituée d’hydrogène et d’hélium ; les autres éléments représentent environ 2 % | — |
| Nucléosynthèse stellaire | Les éléments lourds (C, O, Fe...) sont fabriqués dans les étoiles par fusion nucléaire | — |
Erreurs fréquentes à éviter
- Confondre A (nucléons) et Z (protons)
- Oublier que neutrons = A − Z
Simulation interactive
🔗 PhET Construire un atome : https://phet.colorado.edu/sims/html/build-an-atom/latest/build-an-atom_fr.html
Vikidia: Tableau périodique des éléments
https://fr.vikidia.org/wiki/Tableau_périodique_des_éléments
Différenciation
- Remédiation : Donner les symboles et Z dans le tableau ci-dessus, puis fournir A pour chaque isotope étudié ; demander le nombre de protons et de neutrons.
- Approfondissement : Rechercher les isotopes du carbone (¹²C, ¹³C, ¹⁴C) et expliquer pourquoi le ¹⁴C est utilisé pour la datation en archéologie.
Bonus
Ces pourcentages concernent les éléments chimiques, pas la proportion d’eau du corps. Composition indicative en masse d’un corps humain adulte : oxygène environ 65 %, carbone 18,5 %, hydrogène 9,5 %, azote 3,3 %, autres éléments environ 3,7 %. Ces valeurs sont approximatives. La proportion d’eau du corps est une grandeur différente de la proportion d’oxygène.
Référence : programme de physique-chimie du cycle 4 et ressources ministérielles. Les objectifs et approfondissements de ce chapitre constituent une progression du professeur.
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