Chimie physique générale L1 Cours et exercices

Chimie physique générale L1 Cours et exercices

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Français
466 pages

Description

Ce premier manuel de Chimie physique générale est destiné aux étudiants de première année des Facultés ou UFR des Sciences et médecine et des écoles d'ingénieurs du Sénégal et de la sous-région. Son contenu est conforme au programme d'enseignement au premier cycle des universités. Les notions de chimie acquises au lycée y sont consolidées et approfondies. Les étudiants seront ainsi préparés à aborder des disciplines plus spécialisées dans les années suivantes.

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Informations

Publié par
Date de parution 20 décembre 2018
Nombre de lectures 21
EAN13 9782140108501
Langue Français
Poids de l'ouvrage 28 Mo

Informations légales : prix de location à la page €. Cette information est donnée uniquement à titre indicatif conformément à la législation en vigueur.

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CHIMIE PHYSIQUE GÉNÉRALE
Cours et exercices
L 1
Avec la collaboration de :
Abdoulaye Gassama, Mayoro DIOP, Moussa KARÉ MAKHTAR GUENE, MODOU FALL
& ABDOU AZIZ DIAGNE
CHIMIE PHYSIQUE GÉNÉRALE
Cours et exercices
L 1
Avec la collaboration de :
Abdoulaye Gassama, Mayoro DIOP, Moussa KARÉ













































© L’HARMATTAN-SÉNÉGAL, 2018
10 VDN, Sicap Amitié 3, Lotissement Cité Police, DAKAR

http://www.harmattansenegal.com
senharmattan@gmail.com
senlibrairie@gmail.com

ISBN : 978-2-343-15186-1
EAN : 9782343151861
PRÉFACE
Dans le cadre de la mise en œuvre de la réforme de l’enseignement
supérieur et de la recherche issue des recommandations de la
Concertation nationale sur l’Avenir de l’Enseignement supérieur
(CNAES), Son Excellence le Président de la République Monsieur
Macky Sall a défini la feuille de route à travers les onze décisions issues
du Conseil présidentiel de l’Enseignement supérieur et de la Recherche
du 14 août 2013.
Cette vision met un accent particulier sur, notamment, l’accès et la
qualité de l’enseignement supérieur, l’élargissement de la carte
universitaire dans l’équité, l’internationalisation et la promotion du
label « étudier au Sénégal ». Elle est partie intégrante de l’axe II du
Plan Sénégal Emergent (PSE) dans sa dimension alignement des
formations sur les besoins de l’économie.
La matérialisation d’une telle ambition passe, aussi et en dépit du
recours devenu massif aux TIC et aux bases de données numériques,
par l’édition et la diffusion d’ouvrages qui constituent le support
indispensable de la pédagogie. Le livre joue, incontestablement, un rôle
primordial dans ce processus de transformation de l’enseignement
supérieur, de formation de l’étudiant, de construction d’une conscience
engagée au service de la Nation et d’un esprit nouveau fondé sur la
confiance en ses enseignants.
Ce sont ces raisons qui fondent et justifient le Projet de Rédaction et
d’Edition de Manuels scientifiques des Établissements d’Enseignement
supérieur (PREMSEES) du Ministère de l’Enseignement supérieur, de
la Recherche et de l’Innovation (MESRI). Il a pour objet, d’une part, de
renforcer les ressources documentaires mises à la disposition de no s
7 étudiants et, d’autre part, de valoriser le potentiel pédagogique et
scientifique de nos enseignants.
En effet, la réforme confère à l’étudiant un rôle central : il est, à
présent, acteur de sa formation. A ce titre, il a besoin d’outils
pédagogiques de qualité, d’une confiance et d’une estime de soi fondées
sur des curricula adaptés, des instruments didactiques et, sans doute,
des soft skill pour se forger une personnalité qui lui permet de
développer une envie d’étudier, une soif de connaissance et un esprit
de gagneur pour réussir ses études au Sénégal.
Il sera soutenu dans ses projets professionnel et personnel par, entre
autres, ces manuels conçus et rédigés par des enseignants-chercheurs
des établissements d’enseignement supérieur du Sénégal et évalués par
un comité de rédaction composé d’enseignants et de pédagogues
expérimentés et conscients des enjeux de la formation dans l’économie
du savoir.
Le programme d’édition de manuels pédagogiques est un projet
piloté par le Centre national de Documentation scientifique et
technique (CNDST) du MESRI qui apporte sa logistique et ses moyens
humains, techniques et financiers pour l’édition d’ouvrages
pédagogiques qui seront mis à la disposition du public à des prix
subventionnés. Grâce à la générosité et, surtout, au talent des
rédacteurs des ouvrages, nous pouvons, raisonnablement, envisager de
couvrir les principales disciplines dispensées dans les années de
Licence. La communauté universitaire et académique leur est
redevable des efforts fournis pour atteindre cet objectif.
Je recommande fortement cet ouvrage et son bon usage aux
étudiantes et étudiants ainsi qu’aux acteurs de la pédagogie.

Professeur Mary Teuw Niane
Ministre de l’Enseignement supérieur,
de la Recherche et de l’Innovation
8

AVANT-PROPOS
Le système scolaire et universitaire sénégalais est actuellement
marqué par une prédominance des matières littéraires sur les matières
scientifiques. En dépit des efforts des autorités nationales pour
équilibrer, voire inverser cette tendance, on note un véritable désamour
des élèves sénégalais pour les matières scientifiques.
Par ailleurs, malgré la réputation de sérieux et de rigueur des
enseignants de chimie, leur discipline semble être considérée comme la
"bête noire" des étudiants. Nous pouvons même affirmer sans
exagération aucune, que la majorité des nouveaux étudiants arrivent à
l’université avec une phobie inhibitrice de la Chimie. Celle-ci est très
souvent incriminée dans les faibles taux de réussite dans les premiers
cycles des Facultés ou UFR des Sciences.
C’est dans ce contexte que le gouvernement du Sénégal, à travers le
Ministère de l’Enseignement Supérieur, de la Recherche et de
l’Innovation, a décidé de commanditer la rédaction de manuels de cours
en Mathématiques, Physique, Chimie et informatique pour la Licence 1
& 2. Notre équipe, sélectionnée après appel d’offres du Centre national
de Documentation scientifique et technique (CNDST), a produit ce
premier manuel de Chimie physique générale, en attendant celui de
Chimie inorganique et celui de Chimie organique. Il est destiné aux
étudiants de première année des Facultés ou UFR des Sciences et de
Médecine et des écoles d’ingénieurs du Sénégal et de la sous-région.
Le contenu du manuel est conforme au programme d’enseignement
au premier cycle des universités. Les notions de chimie acquises au
lycée y sont consolidées et approfondies. Les étudiants seront ainsi
préparés à aborder des disciplines plus spécialisées dans les années
suivantes.
9 Le présent manuel a été rédigé avec la plus grande attention. Il a fait
l’objet d’une expertise par une équipe d’évaluateurs désignés par le
Ministère, puis par quelques-uns de nos collègues enseignants au
Département de Chimie de la Faculté des Sciences et Techniques de
l’UCAD. Les auteurs sont tous membres du Comité Sénégalais pour la
Chimie. Grâce à l’admission de cette association comme organisation
nationale adhérente représentant le Sénégal à l’IUPAC, certains auteurs
ont pu être élus dans certaines divisions et au comité pour
l’enseignement de la chimie de l’IUPAC. Il est donc logique que les
auteurs aient essayé de se conformer autant que possible aux dernières
recommandations de l’IUPAC.
Nous adressons nos plus sincères remerciements à :
 Monsieur le Ministre de l’Enseignement Supérieur, de la
Recherche et de l’Innovation.
 Monsieur le Directeur du Centre National de Documentation
Scientifique et Technique.
 Messieurs Serigne Amadou Ndiaye et Abdoulaye Koné,
Professeurs au Département de Chimie de la FST de l’UCAD, pour leur
contribution généreuse et désintéressée, en tant que relecteurs du
manuel.
 Toute l’équipe d’évaluateurs désignés par le Ministère, dont
l’apport a été très probant.
 Tous nos collègues avec lesquels nous partageons les mêmes
enseignements de Chimie ou le même département.

10

INTRODUCTION
Ce manuel de chimie physique générale est destiné aux étudiants
en première année d’études scientifiques des universités et écoles
supérieures du Sénégal. Les étudiants admis dans cette section sont des
nouveaux bacheliers des séries scientifiques. Ils ont donc naturellement
acquis des connaissances en chimie durant le cycle secondaire.
Cellesci doivent être consolidées et approfondies durant cette année ou les
bases solides pour une formation en chimie s’acquièrent et se
renforcent, ou alors se perdent de façon quasi-irréversible.
La chimie est une science expérimentale ayant pour objet l’étude
de la composition de la matière et ses transformations. Elle permet de
décrire les divers constituants de la matière, leurs propriétés, leurs
transformations et interactions. La chimie peut être subdivisée en 3
principales branches : la chimie organique, la chimie inorganique et la
chimie physique.
La chimie physique est une science en évolution permanente qui
permet l’émergence de nouvelles idées et la vulgarisation de concepts
connus. Elle a permis de répondre aux questions liées à l’origine des
propriétés physiques ou chimiques de la matière et de prévoir les
conditions dans lesquelles se déroulent les réactions chimiques. Le
programme de chimie physique de première année comprend 2 grandes
parties : l’atomistique et les réactions chimiques (Thermodynamique,
équilibres et cinétique chimiques). Le manuel comporte ces deux
parties.
La première partie du livre est donc consacrée à l’Atomistique ou
« chimie de l’atome ». C’est le domaine de la chimie traitant de l’étude
descriptive de la structure interne de l’atome, de son organisation et de
ses propriétés. Le premier chapitre traite de l’évolution de la théorie
11 atomique aux cours des siècles derniers, permet d'introduire la notion
de modèles et surtout met en évidence les différentes expériences et
théories qui ont permis de découvrir les constituants de l’atome. Le
principe fondamental de l’équivalence « masse – énergie » est traité
dans le chapitre 2. Les notions de défaut de masse, d’énergie de liaison
et d’énergie de liaison par nucléon y sont définies et la distinction entre
réactions nucléaires de fusion et de fission est faite. Les radioactivités
naturelle et artificielle y sont abordées aussi. Les premiers modèles
atomiques, ayant permis la détermination des premières propriétés en
utilisant les lois de la mécanique newtonienne, sont traités et expliqués
dans le chapitre 3 qui a permis d’identifier les limites de cette
mécanique lorsqu’elle est appliquée au domaine microscopique. Avec
les limites de la mécanique classique, une nouvelle mécanique dite
quantique ou ondulatoire est utilisée pour analyser les propriétés
atomiques. Cette nouvelle mécanique est traitée au chapitre 4 et met en
exergue la dualité « onde corpuscule », c’est-à-dire ce principe de la
physique selon lequel tous les objets microscopiques présentent des
propriétés ondulatoires et/ou corpusculaires. Les principes et
hypothèses de bases de la mécanique quantique sont introduites et les
notions de fonction d’onde, d’orbitales atomiques et de nombres
quantiques y sont explicitées. Dans les chapitres 5 et 6, les systèmes
polyélectroniques, c’est-à-dire les atomes à plusieurs électrons sont
abordés. Les règles de remplissage des orbitales atomiques ainsi que la
configuration atomique sont étudiées. Par une méthode déductive, la
classification de tous les éléments connus à ce jour, est abordée. Le
chapitre 6 permet ainsi, de comprendre l’évolution de certaines
propriétés physiques telles que l’énergie d’ionisation, l’affinité
électronique, l’électronégativité, les rayons atomique et ionique et
d’indiquer le sens d’évolution de ces propriétés dans le tableau
périodique. Enfin les bases structurales de la chimie sont traitées dans
le chapitre 7. Il s’agit des liaisons chimiques, de la représentation de
Lewis, de la géométrie des molécules (VSEPR) et de la théorie des
orbitales moléculaires. Ces deux dernières théories permettent d’avoir
12 une approche simple pour prévoir la géométrie d’une molécule et
d’étendre la notion d’orbitales atomiques aux molécules pour expliquer
la formation des liaisons.
La deuxième partie du manuel est intitulée « Thermodynamique,
équilibres et cinétique chimiques ». Elle est subdivisée en 7 chapitres.
Le premier chapitre est consacré à l’étude du premier principe de la
thermodynamique et son application aux réactions chimiques. On y
évalue les différents échanges d’énergie lors d’une transformation
physique et lors d’une réaction chimique. Les 4 chapitres suivants
portent sur les équilibres. Les bases fondamentales, la méthodologie
d’étude ainsi que les facteurs d’influence d’un équilibre chimique sont
d’abord examinés. Les connaissances acquises sont ensuite utilisées
dans le cas particulier des solutions aqueuses (chapitres 3 à 5).
L’essentiel de cet ensemble de chapitres est consacré aux équilibres
acido-basiques qui jouent un rôle important dans les réactions
chimiques et même dans les phénomènes biologiques. L’acidité ou la
basicité d’un milieu étant caractérisée par son pH (potentiel
Hydrogène), le mode de calcul du pH de divers types de solutions est
abordé. Les équilibres hétérogènes, qui se déroulent dans un milieu
comprenant en général un ou plusieurs sels à l’état solide, en équilibre
avec des espèces dissoutes dans l’eau ne sont pas en reste (chapitre 5).
Les influences mutuelles solubilité-pH sont examinées dans les cas des
hydroxydes, sulfures et carbonates métalliques et dans le cas des sels
pouvant donner lieu à la formation de complexes. Les réactions
électrochimiques font l’objet du chapitre VI. Les principes de bases de
l’oxydoréduction telles que les états d’oxydation, les potentiels rédox,
la prévision des réactions rédox et quelques-unes de leurs applications
sont étudiés. Le dernier chapitre représente une introduction à la
cinétique chimique. Cette branche de la chimie étudie entre autres, les
vitesses de réaction (cinétique pure). Cette notion est largement étudiée
avant que la cinétique de quelques réactions simples en phase
homogène ne soit examinée.
13 Le manuel comporte les éléments exhaustifs du cours magistral.
Il est agrémenté de nombreux exercices d’applications corrigés. A la fin
de chaque chapitre, des exercices avec réponses sont proposés. La
plupart de ces exercices sont tirés d’épreuves d’examen des quinze
dernières années à la Faculté des Sciences et Techniques de l’Université
Cheikh Anta Diop de Dakar.
14 �



GLOSSAIRE 1
Lettres latines

A nombre de masse
A , A(t) activités radioactives à t = 0 et à t 0
Å Armstrong (unité)
A affinité électronique E
a rayon de Bohr 0
a , a accélérations suivant les axes x et y x y
,⃗ champ magnétique
B intensité champ magnétique
C Coulomb (unité)
c célérité de la lumière dans le vide
Ci curie (unité)
teC constante
D debye
dP probabilité de présence
ddp différence de potentiel
d down (quark), distance internucléaire
dV volume élémentaire
d , d . orbitales atomiques de type d xy x²-y²
,⃗ champ électrique
E intensité champ électrique
E.F état fondamental
E.E état excité
E énergie d’excitation exc
E énergie de l’orbite de rang n n
E énergie niveau p p
E charge élémentaire
e ; e énergie de l’orbitale atomique 2s, 2p… 1s 2p
eV électron-volt (unité)
15 �



E énergie d’ionisation i
E , E énergie potentielle, énergie cinétique p c
E(X) énergie de l’élément X
E énergie de liaison L
E énergie de liaison par nucléon A
g intensité accélération de la pesanteur
G centre de masse du système
G , G , groupes de Slater i j
[GN] symbolisation « gaz noble », structure de cœur
〈G〉 valeur moyenne de la grandeur physique G
⃗ force électrique
H atome d’hydrogène
h constante de Planck
ℏ h « barre », h/2π
Hamiltonien
h Hamiltonien monoélectronique g
IUPAC Union Internationale de Chimie Pure Appliquée
I énergie de première d’ionisation 1
IFAN Institut Fondamental d’Afrique Noire
J Joule (unité)
LCAO combinaison linéaire des orbitales atomiques
ln logarithme népérien
l nombre quantique secondaire
m masse de la particule ou nombre quantique magnétique
ou mètre (unité)
m masse atomique at
M masse du noyau, masse molaire
MeV méga électron volt
n nombre quantique principal
n* nombre quantique principal effectif, nombre d’électrons
dans les OM AL
nm nanomètre (unité)
N rang d’une période, nombre de neutrons
OA orbitale atomique
OM orbitale moléculaire
OM L orbitale moléculaire liante
OM Al orbitale moléculaire antiliante
P probabilité de présence, pression
16 �

p , p p orbitales de type p x y, z
q charge de la particule
Q quantité de chaleur
r rayon orbite circulaire i
R constante de Rydberg pour l’atome d’hydrogène H
R constante de Rydberg pour l’hydrogénoïde X X
R, r rayon trajectoire
R rang d’une colonne
R constante de Rydberg de H corrigée Hcorr
s seconde ou nombre quantique de spin
s, p, d, f noms des orbitales atomiques
t instant ou durée
T énergie cinétique, période radioactive
U potentiel électrique, énergie potentielle
uma unité de masse atomique
u up (quark)
v ou v vitesses linéaires 0
VSPER Valence Shell Electron Pairs Repulsion
x, y, z axes ou nombre d’électrons dans les orbitales
X élément quelconque
Z nombre de charge, numéro atomique
Z* charge effective

Lettres grecques

α particules alpha
α nombres d’électrons dans le groupe de Slater i
+ + β rayonnement β
- - β rayonnement β
ẟ charge partielle, caractère ionique
défaut de masse
σ nombre d’onde ou constante d’écran ou liaison
covalente
π pi (nombre) ou type de liaison covalente
λ Constante radioactive ou longueur d’onde
γ rayonnement γ
∆m défaut, perte de masse
∆ Laplacien
17 �
w





∆E variation de l’énergie ou différence d’énergie entre 2
niveaux
∆x, ∆r, ∆p erreur absolue sur la position, sur la quantité de
mouvement
ρ ou ρ masse volumique A
ρ rayon orbitalaire
η coefficient de viscosité
μ masse réduite du système
μ moment dipolaire i
ν fréquence
Ψ ou Φ fonctions d’onde
Χ électronégativité
; ; dérivées partielles
v x


18

GLOSSAIRE 2
% Pourcentage massique
A Facteur de fréquence
a Nombre de moles, covolume
AE Affinité électronique
m-A Anion de valence m
èmeB Monobase, 2 coefficient du Viriel
b Nombre de moles, facteur de proportionnalité
de l’interattraction
BOH Monobase
èmeConcentration molaire, 3 coefficient du
C,
Viriel
C Concentration équivalente éq
C Concentration molaire M
C Concentration massique m
n+C Cation de valence n
Capacité calorifique massique à pression
c p
constante
Capacité calorifique molaire à pression
C p
constante
Capacité calorifique massique à volume
cv
constant
Capacité calorifique molaire à volume
C v
constant
èmeD 4 coefficient du Viriel
d Densité
0D Energie de liaison
E Potentiel d'oxydoréduction
0E Potentiel standard d'oxydoréduction
19
`
-
`
`
_
_
`
_
E Energie d'activation a
EI Energie d'ionisation
E Energie mécanique méc
éq-g Equivalents-grammes (ou Equivalent)
E Energie réticulaire r
E Energie de résonance rés
E Energie thermique th
H Enthalpie
HA Monoacide
HInd Indicateur coloré acide
Hrés Enthalpie de résonance
-Ind Forme basique d'un indicateur coloré acide
+Ind Forme acide d'un indicateur coloré basique
IndOH Indicateur coloré basique
k Constante de vitesse
K Constante d'équilibre
K Constante d'acidité a
èreK Constante de 1 acidité
èmeK Constante de 2 acidité .
èmeK Constante de 3 acidité
/
K Constante de basicité
K Constante de 1ère basicité
èmeK Constante de 2 basicité
.
èmeK Constante de 3 basicité
/
Constante d'équilibre relative à la
K c
concentration
K Constante de dissociation d
K Produit ionique de l'eau e
Constante d'équilibre relative au nombre de
K n
moles
K Constante d'équilibre relative à la pression p
K Produit de solubilité s
20 Constante d'équilibre relative à la fraction
K X
molaire
-1M Concentration molaire, masse molaire, mol L
m Masse, nombre de charges
M Métal
MCO Carbonate métallique 3
m Masse de soluté, masse d'eau e
m Masse d'un équivalent-gramme éq-g
m Masse de solution s
MS Sulfure métallique
MX Sulfure ou carbonate du métal M
-1N Concentration équivalente, éq-g L
n Nombre de moles, nombre de charges, nombre
d'électrons, nombre de constituants
n Nombre de moles d'équivalent éq
Ox Oxydant
P Nombre de particules actives, nombre de
facteurs physiques
P Pression, facteur stérique
P Pression extérieur ext
pH Cologarithme décimal de la concentration en
+ H O (potentiel Hydrogène) 3
P Pression partielle i
pK Cologarithme décimal de la constante d'acidité a
Cologarithme décimal de la constante de
pK b
basicité
Cologarithme décimal du produit ionique de
pK e
l'eau
pK Cologarithme décimal du produit de solubilité s
-pOH Potentiel ion HO
Q Chaleur échangée
Q Chaleur échangée à pression constante p
Q Quotient de réaction r
21 Q Chaleur échangée à volume constant v
r Nombre de relations (dans la variance)
R Constante des gaz parfaits
Réd Réducteur
S, S' Solubilité
T Température
T Temps
t Temps de demi-réaction 1/2
U Energie interne
U , U Energie interne finale F F
UI, Ui Energie interne initiale
v Vitesse réactionnelle
V Volume, variance, vitesse linéaire
V Volume réduit i
V Vitesse moyenne, volume molaire m
W Travail
Fraction massique, nombre de moles ayant
x
réagi
X Fraction molaire
2-X Ion sulfure ou ion carbonate
y Nombre de moles ayant réagi
Z Facteur de compressibilité, nombre de
collisions possibles
Coefficient de dissociation, ordre partiel  
Constante de complexation, ordre partiel  
  Coefficient de Poisson
Concentration molale  
Nombre de phases  
  Masse volumique, rendement
Avancement de réaction  
4∆ H Enthalpie standard de réaction p

4∆H Enthalpie standard à 298 K 6=<
4∆ H Enthalpie standard de formation d
22 `
_
Enthalpie de réaction ∆ H p
∆ U Energie interne de réaction p
4 Energie interne standard à 298 K ∆U 6=<
4 Energie interne standard de réaction ∆ U p
4 Energie interne standard de formation ∆ U d

4 Enthalpie standard de combustion ∆ H a
4 Enthalpie standard de fusion ∆ H dsq
4 Enthalpie standard de sublimation ∆ H qs
4 4∆ H , ∆ H Enthalpie standard de vaporisation t tn
Variation du nombre de mole de gaz n 
U Variation d'énergie interne
Chaleur élémentaire Q
Travail élémentaire W
E Différence de potentiel
H  Variation d'enthalpie
Variation élémentaire d'enthalpie H 
U  Variation élémentaire d'énergie interne
A.N. Application numérique
Conditions normales de température et de
CNTP
pression
ddp Différence de potentiel
ECS Electrode au calomel saturé
ENH Electrode normale à hydrogène
EO Etat d’oxydation
f.e.m Force électromotrice
Union Internationale de Chimie Pure et
UICPA
Appliquée
23






PREMIÈRE PARTIE

ATOMISTIQUE ET LIAISONS CHIMIQUES



CHAPITRE I

STRUCTURE DE L'ATOME-
CONSTITUANTS DE LA MATIÈRE
Objectifs du chapitre : Ce chapitre permet une entrée dans l’étude
de la structure de la matière. Il présente un panorama assez général de
théories, d’expériences, d’interprétations et de résultats qui mettent en
évidence la façon dont la science évolue en utilisant des modèles. Il
permet d’avoir une vision sur l’évolution de la théorie atomique aux
cours des siècles derniers et d'introduire la notion de modèles.
À l’issue d’une étude attentive de ce chapitre, vous devez être
capable de :
- Identifier les différentes étapes de la théorie atomique
- Décrire les expériences qui ont permis de mettre en évidence les
constituants de l’atome
- Donner les nombres de masse et de charge d’un atome
- Définir les unités utilisées pour déterminer une quantité de
matière.
- Expliquer les notions de nucléides, d’isotopes, d’isobares,
d’isotones,….
- Calculer la composition isotopique d’un élément naturel
- Décrire les techniques et appareils utilisés pour séparer les
isotopes d’un même élément.

27


Chimie Physique générale
INTRODUCTION
Les connaissances actuelles sur la structure des atomes sont le
résultat d’un ensemble de faits expérimentaux observés par les
ème èmescientifiques entre la fin du 19 siècle et le début du 20 siècle. La
théorie atomique n’a été prise comme une hypothèse scientifique
èmesérieuse qu’au cours du 19 siècle
En effet, le concept d’atomes fut émis il y a environ 2500 ans par
certains philosophes Grecs qui pensaient, sans aucune preuve
scientifique, que la matière est composée de très petites particules
indivisibles : « atomes ». C’est seulement au cours de la période
18751910 que diverses expériences historiques ont montré que les atomes
ne sont pas les constituants ultimes de la matière et sont eux-mêmes
constitués de plusieurs types de particules. L’atome est ainsi le plus
petit grain de matière et est globalement neutre comme l’est la matière.
I.1 DÉCOUVERTES DE L’ÉLECTRON
I.1.1 Expérience de Crookes

Figure I.1 : Schéma du tube à décharge :

Lorsqu’on établit une forte différence de potentiel (environ
1000 V/cm) entre deux électrodes métalliques placées aux extrémités
d’une ampoule de verre contenant un gaz raréfié, deux types de
phénomènes peuvent survenir :
- Si la pression du gaz dans le tube à décharge est comprise entre
0,1 et 0,01 bar, le gaz devient lumineux et le verre luminescent
(enseignes lumineuses, lampe « néons »....).
28 �






Structure de l’atome-constituants de la matière
- Pour des pressions inférieures à 0,01 bar, le gaz n’est plus
lumineux mais le tube reste fluorescent du côté opposé à l’électrode
négative (cathode).
Un flux de particules issues de l’électrode négative (cathode), se
propagent suivant des trajectoires rectilignes en transportant de
l’énergie vers l’électrode positive (anode). Ces rayons émis issus de la
cathode ont été appelés « rayons cathodiques ».
En 1891, Stoney a donné le nom d'électrons aux particules
constituant les rayons.
Plus tard J.J. Thomson montre que le rapport ⁄ est le même quel
que soit le gaz dans le tube à décharge et le métal utilisé comme
cathode.
Ces particules apparaissent comme constituants universels de la
matière.
I.1.2 Expérience de J.J.Thomson
En 1897 Thomson construit un tube à décharge spécial pour une
mesure quantitative des propriétés des rayons cathodiques.

Figure I.2 : Schémas du tube de décharge utilisé par J.J Thomson

Expérience : Dans le tube cathodique, un faisceau de rayons
cathodiques est envoyé sur une surface de verre (écran) recouverte avec
du phosphore et qui devient fluorescente quand elle est frappée par le
faisceau. Ce faisceau passe d’abord entre les pôles d’un aimant (champ
,⃗magnétique ) et deux électrodes métalliques pouvant donner un
,⃗champ électrique .

29 �









Chimie Physique générale
Observations :
i) En l’absence de champs électrique et magnétique, le faisceau a une
trajectoire rectiligne (1)
ii) Lorsqu’on applique le champ électrique seul, le faisceau est dévié
,⃗suivant la direction de et dans le sens contraire (2).
iii) Par l’application d’un champ magnétique convenable
perpendiculaire au champ électrique et à la trajectoire des rayons
cathodiques, on retrouve une trajectoire rectiligne (1)
iv) Un tourniquet placé sur la trajectoire du faisceau se déplace vers
l’anode.
Interprétations :
i) Les rayons cathodiques sont constitués de particules chargées
négativement.
ii) Ces rayons sont formés de particules transportant de l’énergie et
se propagent suivant des trajectoires rectilignes
Cette expérience a permis la détermination de la charge massique de
l’électron c’est-à-dire du rapport entre la charge de l’électron en valeur
absolue et sa masse ( ⁄ ).



Figure I.3 Détermination du rapport e/m.

J.J. Thomson a déterminé le rapport ⁄ en étudiant la modification
de la trajectoire des rayons cathodiques sous l’action simultanée d’un
,⃗ ,⃗champ électrique et d’un champ magnétique
30 �















































































































Structure de l’atome-constituants de la matière
Action du champ électrique seul :
⃗ ,⃗La particule est soumise à la force électrique = . (avec q charge
de la particule)
Suivant Ox :
= . = 0 ⇒ = 0 = 0 ⟹ = = 4
L équation horaire suivant l axe Ox est ∶
x = 4
À t = 0, la particule est en O origine des espaces avec une vitesse ⃗ . 4
Suivant Oy :
= . = . ⇒ = = − ⟹
= = − ∙ ∙
2
L équation horaire suivant l axe Oy, en posant q = −e, est ∶
6= ∙ ∙
2
Sachant que :
=
4
On obtient l’équation de la trajectoire de la particule
( )y x = ∙ ∙ x² 62 4
À la sortie du condensateur,
6( ) = = ∙ ∙ L [1] 4 62 4
,⃗Pour déterminer le rapport ⁄ on applique le champ magnétique de
telle sorte qu’il n’y ait aucune déviation et dans ce cas on a :
⃗ ⃗= ⟹ = ⟹ = 4 4
En remplaçant v par son expression dans [1] on obtient : o
46= ∙ ∙ L et le rapport = 2 ∙ 4 2 ² ²
31 �


































Chimie Physique générale
Par cette méthode, on trouve une charge massique de l’électron
11 d’environ 1,76.10 C/kg
2+20APPLICATION 1 : Dans un tube cathodique des ions Ne sont
accélérés par une ddp U. La vitesse initiale d’un ion de masse m et de
charge q suivant (Oz) est ⃗ = ,⃗ . Le faisceau d'ions est soumis 4 4
(entre l'origine et l'écran) à l'action simultanée d'un champ magnétique
et d'un champ électrique uniformes, colinéaires, perpendiculaires à la
direction d'incidence des ions. L'écran est situé à la distance L,
4 perpendiculairement à l'axe Oz. E =2.10 V/m ; B=0,1 T ; L = 10 cm.
2+Donner l’équation de la trajectoire d’un ion Ne , en déduire
l’ordonnée d’un ion d’abscisse x= 2cm.
Corrigé 1 : Suivant Oy, l’équation de la trajectoire est :
1 × × ²
=
2 × ²
Suivant Ox, l’équation de la trajectoire est :
1 × × ²
=
2 ×
D’où :
2 × 2 ×
6 6= ∙ = ∙
6 6 6 6× × ℵ × 2 ×
= 1,66
I.1.3 Détermination de la charge élémentaire :
Expérience de Millikan
La détermination de la charge élémentaire « e » fut entreprise en
1909 par le physicien Américain Robert Millikan en étudiant le
mouvement de gouttelettes d’huile entre les plaques d’un condensateur
horizontal.
L’expérience se déroule en deux étapes. La première partie permet
de déterminer les caractéristiques de la gouttelette d’huile (masse et
rayon) et la seconde de quantifier les charges électriques.

32 �























Structure de l’atome-constituants de la matière
a) Montage expérimental (expérience de Millikan)
P : pulvérisateur pour
l’injection d’un liquide non
volatil (huile ; mercure…)
M : microscope mesure de la
vitesse des gouttelettes
RX : Rayons X ionisation
des atomes
Figure I.4 : Dispositif de l’expérience de Millikan

b) Calcul de la charge d’une gouttelette
,⃗Première partie : En absence du champ

La gouttelette, supposée
sphérique, est en chute et
soumise à l’action simultanée
de 3 forces :
8 7,⃗- À son poids = m. ,g⃗ = π. r ρ. ,g⃗
7
ρ: masse volumique de l′huile
Avec P r: rayon de la gouttelette
m: masse de la gouttelette
- À la force de frottement ou force de Stokes ou encore force de
viscosité
η: coefficient de viscosité
,⃗ = −6 ⃗ ] r: rayon de la gouttelette
⃗: ℎ
- À la poussée d’Archimède (force généralement négligeable devant
les autres)
4 7,⃗P = − m . ,g⃗ = π. r ρ . ,g⃗ ρ masse volumique de l′air E E E E3
33 �




































































Chimie Physique générale
La relation fondamentale de la dynamique implique que :

,⃗ ,⃗ ,⃗+ + = . ⃗ = .
En fait, la résistance à l’avancement augmente très vite avec la
vitesse ⃗ et les gouttelettes atteignent très rapidement une vitesse limite
uniforme et ainsi on obtient :

,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗= 0 + + = 0 ⟹ = − −
La projection suivant un axe dirigé vers le bas donne :
− − = 0
4 4
7 7. g − 6πηr − π. r ρ g = 0 ⟹ 4 E3 3
4
7 π. r ( − ρ ) = 6πηr E 43
Le rayon et la masse d’une gouttelette sont respectivement
9ηv 44 7r = =
2. g. (ρ − ) 3
,⃗i) Deuxième partie : En présence du champ électrique
Les rayons X (RX) envoyés dans le milieu, ionisent les atomes de
l’air. Lorsque la gouttelette arrive dans le condensateur ces charges
(anions, cations et électrons) se fixent sur la gouttelette qui devient
,⃗chargée et est ainsi soumise à l’action du champ
On peut observer des mouvements descendants ou ascendants des
gouttelettes. Le mouvement naturel de chute de la gouttelette d’huile
est modifié (accéléré, stoppé ou inversé) selon la valeur et le signe
qu’elle porte et selon le sens et l’intensité du champ électrique appliqué.
Grâce au microscope et à un chronomètre, la vitesse des gouttelettes,
est mesurée.
L’application du principe fondamental de la dynamique permet
d’écrire :
4 4
7 7,⃗ ,⃗ ⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗ ,⃗+ + + = 0 ⟺ ,g⃗ + 6 ⃗ + + , ,g⃗ = 0 5 53 3

34 �

































?












Structure de l’atome-constituants de la matière
En projetant suivant un axe dirigé vers le bas, il vient :
4 4
7 7| |g = 6 + + g 5 53 3
Or
4
7 ( )g − = 6 43
D’où : 6 − 6 = | | 4 5 5
Et
6
| | = ( − ) 5 4 5

Fe
R
PA
r
P


En répétant l’expérience, R. Millikan trouve plusieurs valeurs
différentes de charge. Il remarque que ces différentes valeurs sont,
toutes, multiples, en valeur absolue, d’une valeur minimale considérée
comme étant la charge de l’électron et qui a pour valeur :
5=− = −1,60217. 10
Cette charge e représente la plus petite charge électrique que puisse
porter une particule libre. Toute charge électrique, ne peut être, en
valeur absolue qu’un multiple entier de e.
⁄Connaissant et e on déduit la masse de l’électron
-31m = 9,1085.10 kg. e
35 �























?
?


















Chimie Physique générale
Millikan obtient en 1923 le Prix Nobel de Physique pour ses
travaux sur la quantification des charges.
APPLICATION 2 : Une gouttelette d’huile, supposée sphérique,
portant une charge égale à celle de 100 électrons et de rayon r =
-63,25.10 m est en chute entre les armatures d’un condensateur chargé.
Donner, en négligeant la poussée de l’air, le sens et l’intensité du
champ électrique qu’il faut appliquer pour l’immobiliser.
3Données : Masse volumique de l’huile   113,6kg / m ; viscosité de
-5 -1 -1l’air η = 1,824.10 kg.m .s .
Corrigé : Pour immobiliser un électron, il faut appliquer une force
⃗ ,⃗ ,⃗électrique = − opposée au poids = ,g⃗ de la gouttelette de
8 7masse = .
7
,⃗ ⃗ ,⃗- Sachant que et sont de sens contraire donc est dirigé
,⃗verticalement et dans le même sens que .
,⃗- Pour avoir l’intensité de , on applique le théorème du centre
,⃗ ⃗d’inertie. Les forces qui s’appliquent sur la gouttelette sont et
(poussée de l’air négligée et force de viscosité nulle)

4 4
7 7,⃗ ⃗ ,⃗+ = 0 ⟹ = ⟺ = ⟹ =
3 3

: 74 × (3,25. 10 ) × 113,6
9. = = 10 / 5=3 × 1,602. 10
I.2 MODÈLE ATOMIQUE
L’étude de l’atome requiert la nécessité d'élaborer un modèle pour
pouvoir expliquer les différents phénomènes et en prévoir les
conséquences. Celles-ci, soumises à l'expérience, permettent de valider
le modèle, de l'améliorer ou de le rejeter.
Cependant il n'est pas toujours nécessaire d'utiliser un modèle
complexe pour expliquer de façon simple un certain nombre
d'observations. Il suffit d'en connaître les limites.
36


Structure de l’atome-constituants de la matière
I.2.1 Modèle de J.J Thomson
L’un des premiers modèles atomiques proposés est celui de J.J
Thomson. Il représente l’atome sous la forme d’une sphère remplie
d’une matière positive dans laquelle s’incrustent les électrons de telle
sorte que l’ensemble soit électriquement neutre.
matière
positive
électrons
négatifs

Figure I.5 Modèle dit de « pudding » de J.J. Thomson
Ce modèle se montre rapidement inexact après la mise en évidence
du noyau atomique.
I.2.2 Modèle de Rutherford
I.2.2 1 Mise en évidence expérimentale du noyau
et interprétation
Particules déviées
DiaphragmeSource radioactive
Ecran Po
Faisceau des
Feuille d'or particules 

Figure I.6 : Dispositif de l’expérience de Rutherford
37


Chimie Physique générale
Un faisceau de particules α, émis par une source radioactive, est
envoyé sur une mince feuille d’or. On observe que la presque
quasitotalité des noyaux traverse la feuille d'or sans être déviés. Un petit
nombre de particule α (environ 1/100) est fortement dévié, et une très
faible proportion (environ 1/20.000) est renvoyée en arrière. On en
déduit que :
 L'atome est surtout constitué de vide, puisque la plupart des
rayons α traversent la feuille d'or, comme s'il n'y avait pas d'obstacle.
 Il existe un centre positif dans l’atome appelé noyau car
certaines particules alpha sont repoussées. La masse de l'atome est
concentrée au niveau du noyau.
 Le noyau est extrêmement petit et dense puisqu'il n'y a qu'une
très petite portion des particules qui rebondissent.
I.2.2.2 Modèle atomique de Rutherford
L’interprétation de l’expérience de la feuille d’or traversée par
les particules α permet d’abandonner le modèle d’un atome massif.
Rutherford propose un modèle atomique dans lequel :


Figure I.6 : Modèle atomique planétaire de Rutherford

- La presque quasi-totalité de la masse est concentrée dans une
petite région, chargée positivement appelé noyau.
- Les électrons négatifs gravitent autour du noyau sur des
trajectoires circulaires
- Le noyau exerce sur les électrons une force d’attraction
électrostatique. Les électrons sont ainsi animés d’un mouvement de
rotation uniforme avec une accélération centripète constante.
38 �












Structure de l’atome-constituants de la matière
Ce modèle explique bien la nature lacunaire de la matière mais est en
contradiction avec la théorie électromagnétique de Maxwell. « Ce
modèle n’est pas ainsi tout à fait exact ».
APPLICATION 3 : Une feuille d’or a une épaisseur d’environ 500 nm.
Un atome d’or, supposé sphérique, a un rayon égal à 1,5 Å. Quelle est
le nombre de couches d’atomes d’or dans la feuille si celle-ci est
constituée d’un empilement de plusieurs couches d’atomes. ?
Corrigé : Le nombre de couches
500
= = = 18 ℎ
2 2 × 15
I.3 CONSTITUANTS DU NOYAU
Après la mise en évidence du noyau, on s’est aperçu que celui-ci
n’est pas une particule simple. Il est lui-même constitué de deux types
de particules : les protons et les neutrons
Pour étudier sa composition, le noyau est bombardé de projectiles
et on étudie les morceaux.
I.3.1 le proton
Expérience de Rutherford (1918).
De l’azote gazeux est soumis à un flux de particules α animées de
grande vitesse. Après le choc, des particules légères chargées
positivement apparaissent. Ces particules équivalent à des noyaux
d’hydrogène : le proton.
n o y au d 'o xy g èn e
n o y au d 'az o te
n o y a u d 'h é lium
p ro to n
D’autres expériences, utilisant d’autres éléments tels que le
béryllium, le bore, le fluor..., conduisent toujours à la formation de
protons. Ces particules sont, donc, des constituants universels de la
39