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La matière, les mélanges, corps purs, corps composés et les techniques de séparation.
I. La matière :
Tout ce qui nous entoure est constitué de matière. Celle-ci est en majorité constituée de vide. La matière peut être divisée en plus petites parties jusqu'au moment où celle-ci n'est plus divisible. L'on arrive alors à un élément constituant la matière : l'atome.
La plus petite partie d'un corps pur (= matière constituée du même type d'éléments ou des mêmes ensembles d'éléments) ayant les mêmes caractéristiques que ce corps pur est un atome ou un ensemble d'atomes "associés" appelé molécule.

Les atomes composant les molécules composant la matière sont eux même composés de particules. La composition des atomes sera traitée au chapitre suivant : le modèle atomique.
II. Les mélanges et corps purs / corps composés:
La matière est donc un mélange de particules, d'atomes et de molécules.
Lorsqu'il s'agit d'un ensemble de même atomes comme dans le cas du fer (Fe) ou du sodium (Na), cela s'appelle un corps pur élémentaire. (un seul atome - un élément).
Lorsqu'il s'agit d'un ensemble d'au moins deux atomes identiques comme dans le cas du dihydrogène (H2) ou du dioxygène (O2), cela s'appelle un corps pur simple. (une seule sorte d'atomes constituant une molécule).
Lorsqu'il s'agit d'un mélange d'atomes dans des proportions bien définies formant des molécules comme dans le cas de l'eau (H2O; hydrogène et oxygène) : cela se nomme : corps pur composé. (plusieurs sortes d'atomes qui forme une molécule).
Quand on additionne deux corps purs (simples ou composés) l'on obtient un mélange.
Il existe deux types de mélanges : les mélanges homogènes, dont on ne distingue pas les différents constituants et qui sont répartis de façon égale dans tout l'échantillon. Ex : l'air (mélange d'oxygène et d'azote), le sel dans l'eau, ...
Ainsi dans un seau d'eau salée de 10L, si l'on prend deux éprouvettes de 5 mL et que l'on évapore l'eau, on obtiendra les mêmes masses de sel dans les deux éprouvettes. Le sel est réparti dans l'eau de manière identique.
Et les mélanges hétérogènes, dont les composants ne sont pas répartis de manière équivalente dans l'échantillon et dont on peut repérer les différents constituants. ( huile dans de l'eau, sucre dans du sel, ...).
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mélange homogène : eau et sel (en petite quantité) |
mélange hétérogène : solution de cuivre + billes de zinc. |
III. Corps purs et corps composés :
Qu'est ce qu'un corps pur ? il s'agit d'un corps constitué de molécules identiques. (par exemple de l'oxygène, du dioxygène, du sulfate d'hydrogène, ...).
Parmi ces corps purs, l'on peut encore distinguer trois catégories :
- Les corps purs élémentaires : Il s'agit d'un nombre d'atomes identiques : Ne, par exemple est un corps pur élémentaire. Les corps purs élémentaires, sont ceux présents dans le tableau périodique des éléments, ils peuvent encore se classer en métaux et non-métaux.
- Les corps purs simples : Ce sont des molécules composées de plusieurs atomes identiques : O2, H2, O3, par exemple sont des corps purs simples.
- Les corps purs composés : Il s'agit d'un corps pur dont chaque molécule est constituée d'atomes de plusieurs sortes (différents) : HCl, H2SO4, NaCl, ...
synthèse :

IV. Techniques de séparation des mélanges :
Afin de séparer les différents corps d'un mélange, l'on peut utiliser la différence entre les propriétés physiques qui sont propre à un corps purs.
- En utilisant une différence de solubilité pour récupérer les composantes d'un mélange hétérogène, l'on peut utiliser la décantation.
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Les deux liquides ne peuvent se mélanger (ex : eau-huile). il se forme alors deux phases (une première phase composée d'eau et une seconde composée d'huile). Ce type de mélange est hétérogène et composé de substances non-miscibles (qui ne se mélangent pas). Il suffit ensuite de faire s'écouler le liquide jusqu'à la limite pour récupérer chacune des phases. L'on peut également créer des phases en rajoutant un liquide, la séparation entre ce liquide et une des phases se faisant par un autre procédé par la suite.
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- Par une différence entre les température d'ébullitions : distillation
Un des deux liquides présent dans le ballon a une température d'ébullition de 65°C, alors que l'autre n'atteint l'ébullition qu'à 100°C. En maintenant la température dans le ballon à 65°C, le premier liquide se transforme en gaz, est récupérer dans un réfrigérant (tube en verre dans lequel passe de l'eau froide) où le gaz se condense et se retransforme en liquide récolté dans le ballon placé à l'extrémité du réfrigérant. L'on a alors séparer les deux liquides qui ont une température d'ébullition différentes (propriété physique).
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Par une différence d'affinité avec une surface solide : chromatographie (voir point 50)
Cette technique permet de déterminer quels sont les composants d'un mélange.
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Par évaporation : L'on récupère le sel contenant dans de l'eau en faisant s'évaporer celle-ci et l'on récupère alors le sel sous forme de cristaux.
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Par filtration : si l'on doit récupérer des solides (cristaux, par exemple) dans un liquide.
Toutes ces techniques de séparation utilisent des différences de propriétés physiques entre les composant d'un mélange. Il ne s'agit pas de réactions chimiques. Il existe encore d'autres méthodes.
Le modèle atomique:
1. DEMOCRITE, philosophe, grec, (450-360 an) :
Invente le concept de l'atome : particule indivisible de matière
Pour Démocrite, la nature est composée dans son ensemble de deux principes : les atomes (ce qui est plein) et le vide (ou néant).
Les atomes sont des corpuscules solides et indivisibles, séparés par des intervalles vides, et dont la taille fait qu’ils échappent à nos sens.
Les atomes se déplacent de manière tourbillonnaire dans tout l’univers, et sont à l’origine de tous les composés , ce qui comprend également tous les éléments (feu, eau, air et terre). Les atomes se meuvent éternellement dans le vide infini. Ils entrent parfois en collision et rebondissent au hasard ou s’associent selon leurs formes, mais ne se confondent jamais. La génération est alors une réunion d’atome, et la destruction, une séparation, les atomes se maintenant ensemble jusqu’à ce qu’une force plus forte vienne les disperser de l’extérieur. C’est sous l’action des atomes et du vide que les choses s’accroissent ou se désagrègent : ces mouvements constituent les modifications des choses sensibles. Ces agglomérations et ces enchevêtrements d’atomes constituent ainsi le devenir. L’être n’est donc pas un, mais est composé de corpuscules.
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2. John DALTON, chimiste, anglais, (1766-1844), en 1803 :
1803 - Reprend le théorie de Démocrite (particules infimes et indivisibles), mais compare ces particules à de petites billes. Tous les atomes d'un même élément sont identiques et les atomes sont différents d'un élément à l'autre.
Ses premiers travaux, Observations et essais météorologiques (1793), ne suscitent que peu d'intérêt. En 1794, il présente, devant la société philosophique et littéraire de Manchester, un article donnant la première description du daltonisme, maladie dont il souffre lui-même. En 1803, il propose pour la première fois sa théorie selon laquelle la matière est composée d'atomes de masses différentes qui se combinent selon des proportions simples. Cette théorie (qui est sa plus importante contribution à la science) est la pierre angulaire de la chimie moderne.
En 1808 paraît Un nouveau système de philosophie chimique. Dans ce livre, Dalton dresse la liste des masses atomiques d'un certain nombre d'éléments rapportés à la masse de l'hydrogène. Tout en n'étant pas entièrement correctes, ses masses forment la base de la table périodique moderne des éléments. Dalton est arrivé à sa théorie atomique par une étude des propriétés physiques de l'air atmosphérique et des autres gaz. Au cours de ses recherches, il découvre la loi des pressions partielles des mélanges gazeux (loi de Dalton), selon laquelle la pression totale exercée par un mélange de gaz est égale à la somme des pressions individuelles qu'exercerait chacun des gaz s'il occupait seul le volume entier. Il a fait progresser la chimie car il énonça la loi des proportionnalités multiples et celles des mélanges des gaz.
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3.THOMSON, physicien, anglais, (1856-1940):
L'atome serait une sphère, de charge positive, dans laquelle sont distribuées les charges négatives (électrons) de façon aléatoire.
En 1897, Thomson prouve expérimentalement l'existence des électrons. La même année, il énonça son modèle de l'atome, le modèle de plum pudding. Le modèle atomique de Thomson (dit aussi modèle de plum pudding) fut proposé par J.J. Thomson. Il fut proposé en 1904 avant la découverte du noyau atomique. Dans ce modèle, l'atome est composé d'électrons (que J.J. Thomson continuait à appeler « corpuscules », plongés dans une « soupe » de charge positive pour équilibrer la charge négative des électrons, comme des prunes (plum en anglais) dans un pudding. Les électrons (comme nous les connaissons aujourd'hui) étaient considérés comme dispersés au sein de l'atome.
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4. Ernest RUTHERFORD, physicien, anglais, (1871-1937):
L'atome serait constitué d'un noyaux formé de particules positives (protons), ce noyaux comprendrait presque la totalité de la masse de l'atome. Quant aux particules négatives (électrons) elles évoluerait à des distances relativement grandes créant ainsi un vide immense dans l'atome (si le noyaux de l'atome est représenté par une noix, et celle-ci placée au centre d'un terrain de foot, le premier électrons se trouverait sur la ligne de but du terrain ).
Ernest Rutherford (30 août 1871 à Brightwater, Nouvelle-Zélande - 19 octobre 1937 à Cambridge, Angleterre) est considéré comme le père de la physique nucléaire. Il a découvert les rayonnements alpha, les rayonnements bêta; il a aussi découvert que la radioactivité s'accompagnait d'une désintégration des éléments chimiques, ce qui lui valut un prix Nobel de chimie en 1908. C'est encore lui qui a mis en évidence l'existence d'un noyau atomique, dans lequel étaient réunies toute la charge positive et presque toute la masse de l'atome, et qui a réussi la toute première transmutation artificielle.
C'est en 1911 qu'il fera sa plus grande contribution à la science en découvrant le noyau atomique. Il avait observé à Montréal qu'en bombardant une fine feuille de mica avec des particules alpha, on obtenait une déflexion de ces particules. Geiger et Marsden refaisant de façon plus poussée ces expériences et en utilisant une feuille d'or, constatèrent que certaines particules alpha étaient déviées de plus de 90 degrés. Rutherford émit alors l'hypothèse, dont Geiger et Marsden confrontèrent les conclusions à l'expérience, qu'au centre de l'atome devait se trouver un « noyau » contenant presque toute la masse et toute la charge positive de l'atome, les électrons déterminant en fait la taille de l'atome.
Ce modèle planétaire avait été suggéré en 1904 par un Japonais, Hantaro Nagaoka, mais était passé inaperçu. Les résultats de Rutherford montrèrent que ce modèle était sans doute le bon, puisqu'il permettait de prévoir avec exactitude le taux de diffusion des particules alpha en fonction de l'angle de diffusion et de la taille de l'atome.
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5. Sera démontré dans les années qui suivent les découvertes d'Ernest RUTHERFORD, l'existence d'une troisième particule qui forme le noyau et qui est de charge neutre (neutron) par J. CHADWICK, en 1932:
James Chadwick (né le 20 octobre 1891 et mort le 24 juillet 1974) est un physicien britannique. Il est principalement connu pour la découverte d'une particule élémentaire importante, le neutron, en 1932. Cette découverte a mené directement à la fission nucléaire et à la bombe atomique. Il a d'ailleurs reçu un prix Nobel pour cet avancement pour la science.
James Chadwick, fut l’assistant de Rutherford et l’un de ses plus brillants disciples. Ce fut le 3 juin 1920 qu’il entendit Rutherford, dans le cercle des habitués des Bakerian Lectures de la Royal Society, formuler l’idée d’une sorte d’atome de masse 1 et de charge 0 qui n’était pas l’hydrogène : cet objet, n’étant pas sujet aux répulsions électriques que subissaient les protons et les particules alpha, devait pouvoir s’approcher des noyaux et y pénétrer facilement. Chadwick se souvint 12 ans plus tard de cette communication, quand il eut à interpréter les résultats de ses expériences.
Plus tard, apprenant que le prix Nobel avait été décerné à Chadwick pour la découverte du neutron, Rutherford dira, selon Emilio Segré : « Pour le neutron, c’est Chadwick tout seul. Les Joliot-Curie sont tellement brillants qu’ils le mériteront vite pour quelque chose d’autre ! »
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L'expérience de Rutherford : Grâce à cette expérience, Ernest Rutherford et ses collaborateurs ont pu mettre en évidence une propriété importante des atomes, ils sont en majorité composés de vide. En utilisant les particules alpha émises que certains corps radioactifs émettent, ils ont pu créer un "pistolet" à rayon alpha. Le faisceau ainsi créé est ensuite dirigé vers un écran fluorescent circulaire. Lorsqu'il n'y a pas de corps solide entre le faisceau et l'écran, une seule tache lumineuse apparaît exactement au point d'impact des particules alpha.

Lorsque l'on place un corps (ici une mince feuille d'or d'épaisseur 1.10-6m), l'on peu observer la même tache d'impact mais également d'autre point d'impact (tâches lumineuses). Ce qui signifie donc que certaines particules sont déviées ou heurtent quelque chose alors que la majorité ne sont pas déviées.

L'on peut donc en conclure que la majorité d'un atome est composé de vide. Et c'est à cette conclusion qu'aboutirent Rutherford et ses collaborateurs.

 Estimation de la taille d'un noyau
L'expérience de Rutherford permet d'estimer la taille de l'atome en mesurant l'énergie des particules ayant rebondi sur le noyau, c'est-à-dire ayant été diffusées avec un angle de 180°. Ce sont ces particules qui s'approchent le plus possible du noyau. La conservation de l'énergie dit que :
où a0 est l'estimation de la taille du noyau, ou bien la distance minimale d'approche du noyau.
Il est alors possible d'en déduire a0 :
Dans l'expérience de Rutherford, les valeurs sont :
- la masse m = 6.7×10−27 kg,
- la charge d'une particule alpha q1 = 2×(1.6×10−19) C,
- la charge d'un noyau d'or q2 = 79×(1.6×10−19) C
- la vitesse initiale des particules alpha v = 2×107 m/s
Le calcul donne une estimation de 2.7×10−14 m pour la taille d'un noyau d'or.
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