Extrait - Interactions ST - cahier d'apprentissage - 4e secondaire

CAHIER D’APPRENTISSAGE 4e secondaire

Étienne Meyer Julie Boucher

SCIENCE ET TECHNOLOGIE ST

SCIENCE ET TECHNOLOGIE

INCLUANT Un grand nombre d’exercices et de problèmes bien gradués Des analyses technologiques avec animations 3D Des capsules numériques qui enrichissent les concepts théoriques 500 exercices interactifs autocorrectifs

EXTRAIT Parution en mai 2024

CONFORME À LA PROGRESSION DES APPRENTISSAGES

présent dans cet extrait

TABLE DES MATIÈRES PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE...............................................................

VI

UNIVERS MATÉRIEL................................................................... x CHAPITRE 1

L’organisation de la matière........................

2

1.1 L’évolution du modèle atomique..............................................

1.1.1 De l’Antiquité à John Dalton.................................................

1.1.2 Joseph John Thomson et l’électron.................................

1.1.3 Ernest Rutherford et le noyau atomique......................

1.1.4 Niels Bohr et les couches électroniques.......................

Activités 1.1...................................................................................................

3 3 4 5 7 9

1.2 La classification périodique des éléments........................

1.2.1 Généralités.......................................................................................

1.2.2 Les périodes et les familles....................................................

1.2.3 La notation de Lewis.................................................................

Activités 1.2...................................................................................................

13 13 15 17 18

SYNTHÈSE

1

................................................................................................................ 22 Activités de synthèse 1.......................................................................... 23

CHAPITRE 2

Les solutions............................................................................. 28 Rappel....................................................................................................................... 29 2.1 Les liaisons chimiques et les molécules............................... 30 2.1.1 Les ions............................................................................................... 30 Activités 2.1................................................................................................... 32 2.2 Les électrolytes........................................................................................

2.2.1 La dissociation électrolytique..............................................

2.2.2 Les propriétés des électrolytes............................................

2.2.3 Les acides, les bases et les sels............................................

Activités 2.2...................................................................................................

34 34 35 35 37

2.3 La concentration et le pH................................................................

2.3.1 La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage......................................................................

2.3.2 La concentration en parties par million (ppm)............

2.3.3 Le pH...................................................................................................

40 40 41 42

FAIRE 1 SAVOIR-

Les calculs de concentration............................................ 43 Activités 2.3................................................................................................... 45 SYNTHÈSE

2 ................................................................................................................

50 Activités de synthèse 2.......................................................................... 52

CHAPITRE 3

Les transformations chimiques............ xx 3.1 La conservation de la matière........................................................... xx 3.1.1 La loi de la conservation de la masse.............................. xx © 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

3.1.2 La conservation de la masse au cours des changements chimiques...............................................

Activités 3.1...................................................................................................

xx xx

3.2 Les équations chimiques.................................................................

3.2.1 La définition d’une équation chimique.........................

3.2.2 Le balancement d’équations chimiques.......................

xx xx xx

FAIRE 2 SAVOIR-

Le balancement d’équations chimiques...................

Activités 3.2...................................................................................................

xx xx

3.3 Les catégories de réactions chimiques................................

3.3.1 La combustion...............................................................................

3.3.2 La neutralisation acidobasique...........................................

Activités 3.3...................................................................................................

xx xx xx xx

3 ................................................................................................................

xx xx

SYNTHÈSE

Activités de synthèse 3..........................................................................

CHAPITRE 4

L’électricité et le magnétisme................. xx 4.1 Les phénomènes électriques.......................................................

4.1.1 La charge électrique..................................................................

4.1.2 L’électricité statique....................................................................

Activités 4.1...................................................................................................

xx xx xx xx

4.2 Les circuits électriques......................................................................

4.2.1 Les éléments de circuit............................................................

4.2.2 Les types de circuits...................................................................

4.2.3 Le courant électrique................................................................

4.2.4 La différence de potentiel......................................................

4.2.5 La résistance....................................................................................

xx xx xx xx xx xx

FAIRE 3 SAVOIR-

L a mesure de l’intensité du courant et de la différence de potentiel.......................................

Activités 4.2...................................................................................................

xx xx

4.3 L’analyse des circuits électriques..............................................

4.3.1 La loi d’Ohm....................................................................................

Activités 4.3...................................................................................................

xx xx xx

4.4 La puissance et l’énergie électrique.......................................

4.4.1 La relation entre la puissance et l’énergie électriques.............................................................

4.4.2 La relation entre la puissance, l’intensité du courant et la différence de potentiel.......................

Activités 4.4...................................................................................................

xx

4.5 Les phénomènes électromagnétiques.................................

4.5.1 Le magnétisme.............................................................................

4.5.2 Le champ magnétique d’un fil conducteur................

Activités 4.5...................................................................................................

xx xx xx xx

4 ................................................................................................................

xx xx

SYNTHÈSE

Activités de synthèse 4..........................................................................

TABLE DES MATIÈRES

xx xx xx

III

présent dans cet extrait

CHAPITRE 5

L’énergie............................................................................................. 28 Rappel ....................................................................................................................... 29 5.1 La conservation de l’énergie.........................................................

5.1.1 La loi de la conservation de l’énergie..............................

5.1.2 Le rendement énergétique...................................................

Activités 5.1...................................................................................................

30 30 32 33

5.2 L’énergie thermique............................................................................. 35 5.2.1 La chaleur et la température................................................ 35 Activités 5.2................................................................................................... 37 SYNTHÈSE

5 ................................................................................................................

38 Activités de synthèse 5.......................................................................... 39

UNIVERS TERRE ET ESPACE........................................ xx CHAPITRE 6

La biosphère.............................................................................. xx Rappel ....................................................................................................................... xx

7.2 L’exploitation de la lithosphère..................................................

7.2.1 L’agriculture et l’industrie minière.....................................

7.2.2 Les ressources énergétiques de la lithosphère.........

7.2.3 Les impacts des activités humaines sur la lithosphère..........................................................................

Activités 7.2...................................................................................................

xx xx xx

7 ................................................................................................................

xx xx

SYNTHÈSE

Activités de synthèse 7..........................................................................

xx xx

CHAPITRE 8

L’atmosphère et l’hydrosphère.............. xx Rappel ....................................................................................................................... xx 8.1 L’atmosphère.............................................................................................

8.1.1 L’effet de serre................................................................................

8.1.2 Les masses d’air et les fronts.................................................

8.1.3 La circulation atmosphérique et les vents dominants.............................................................

8.1.4 Les anticyclones et les dépressions..................................

Activités 8.1...................................................................................................

xx xx xx

8.2 L’hydrosphère...........................................................................................

8.2.1 Les eaux continentales.............................................................

8.2.2 Les océans........................................................................................

8.2.3 La circulation océanique.........................................................

Activités 8.2...................................................................................................

xx xx xx xx xx

xx xx xx

6.1 Les cycles biogéochimiques.........................................................

6.1.1 Le cycle du carbone...................................................................

6.1.2 Le cycle de l’azote.......................................................................

Activités 6.1...................................................................................................

xx xx xx xx

6.2 Les biomes terrestres.........................................................................

6.2.1 Les facteurs déterminants d’un biome terrestre......

6.2.2 Les biomes nordiques...............................................................

6.2.3 Les biomes tempérés................................................................

6.2.4 Les biomes tropicaux................................................................

6.2.5 Les biomes désertiques...........................................................

Activités 6.2...................................................................................................

xx xx xx xx xx xx xx

6.3 Les biomes aquatiques.....................................................................

6.3.1 Les facteurs déterminants d’un biome aquatique..............................................................

6.3.2 Les biomes dulcicoles...............................................................

6.3.3 Les biomes marins......................................................................

Activités 6.3...................................................................................................

xx xx xx xx xx

UNIVERS VIVANT............................................................................. xx

6 ................................................................................................................

xx xx

Rappel .......................................................................................................................

xx

La lithosphère......................................................................... xx

9.1 Les populations et les communautés....................................

9.1.1 L’étude des populations...........................................................

9.1.2 Les communautés et la biodiversité................................

9.1.3 La dynamique des communautés....................................

Activités 9.1...................................................................................................

xx xx xx xx xx

9.2 Les écosystèmes.....................................................................................

9.2.1 Les relations trophiques..........................................................

9.2.2 La circulation de la matière et de l’énergie..................

9.2.3 Les perturbations d’un écosystème.................................

xx xx xx xx

SYNTHÈSE

Activités de synthèse 6..........................................................................

Rappel .......................................................................................................................

xx

7.1 Les sols...........................................................................................................

7.1.1 Les horizons du sol.....................................................................

7.1.2 La réactivité des sols..................................................................

7.1.3 La capacité tampon des sols................................................

Activités 7.1...................................................................................................

xx xx xx xx xx

TABLE DES MATIÈRES

SYNTHÈSE

8 ................................................................................................................

Activités de synthèse 8..........................................................................

CHAPITRE 7

IV

8.3 L’exploitation de l’hydrosphère et de l’atmosphère................................................................................

8.3.1 Les ressources énergétiques de l’hydrosphère et de l’atmosphère......................................................................

8.3.2 Les impacts des activités humaines sur l’hydrosphère et l’atmosphère....................................

Activités 8.3...................................................................................................

xx xx xx xx xx xx

CHAPITRE 9

L’écologie et les écosystèmes.................. xx

© 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Activités 9.2...................................................................................................

xx

Activités 11.2............................................................................................

xx

9 ................................................................................................................

xx xx

11.3 La variation de vitesse...................................................................

11.3.1 La variation de vitesse utilisant des roues de friction et des poulies.................................................

11.3.2 La variation de vitesse utilisant des roues dentées................................................................

11.3.3 La variation de vitesse utilisant des vis sans fin........................................................................

Activités 11.3............................................................................................

xx

11 ................................................................................................................

xx xx

SYNTHÈSE

Activités de synthèse 9..........................................................................

UNIVERS TECHNOLOGIQUE............................................. xx CHAPITRE 10

Le langage des lignes et les matériaux................................................................... xx Rappel .......................................................................................................................

xx

10.1 Les contraintes et les propriétés mécaniques des matériaux.......................................................................................

10.1.1 Les contraintes.......................................................................

10.1.2 Les propriétés mécaniques des matériaux..........

10.1.3 La modification des propriétés....................................

Activités 10.1............................................................................................

xx xx xx xx xx

10.2 Les types de matériaux.................................................................

10.2.1 Les céramiques......................................................................

10.2.2 Les matières plastiques.....................................................

10.2.3 Les matériaux composites..............................................

Activités 10.2............................................................................................

xx xx xx xx xx

SYNTHÈSE 10

xx xx

................................................................................................................

Activités de synthèse 10...................................................................

CHAPITRE 11

L’ingénierie mécanique........................................ xx Rappel .......................................................................................................................

xx

11.1 Les fonctions de liaison et de guidage.............................

11.1.1 Les caractéristiques d’une liaison...............................

11.1.2 Les guidages...........................................................................

11.1.3 Le choix d’une liaison et d’un guidage...................

Activités 11.1............................................................................................

xx xx xx xx xx

11.2 La transmission et la transformation du mouvement....................................................................................

11.2.1 La transmission du mouvement.................................

11.2.2 La transformation du mouvement............................

xx xx xx

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SYNTHÈSE

Activités de synthèse 11...................................................................

xx xx xx xx

CHAPITRE 12

L’ingénierie électrique............................................ xx Rappel .......................................................................................................................

xx

12.1 L’alimentation et la transformation de l’énergie......

12.1.1 Les fonctions électriques.................................................

12.1.2 La fonction d’alimentation.............................................

12.1.3 La fonction de transformation de l’énergie..........

Activités 12.1............................................................................................

xx xx xx xx xx

12.2 La conduction, l’isolation et la protection.....................

12.2.1 La fonction de conduction.............................................

12.2.2 La fonction d’isolation.......................................................

12.2.3 La fonction de protection...............................................

Activités 12.2............................................................................................

xx xx xx xx xx

12.3 Les interrupteurs................................................................................

12.3.1 La fonction de commande.............................................

Activités 12.3............................................................................................

xx xx xx

SYNTHÈSE 12

................................................................................................................

Activités de synthèse 12...................................................................

xx xx

RÉVISION..................................................................................................................

xx

INDEX..........................................................................................................................

xx

SOURCES ICONOGRAPHIQUES...............................................................

xx

TABLE DES MATIÈRES

V

PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE Ce cahier d’apprentissage couvre l’ensemble des concepts prescrits par le programme Science et technologie ST de la 4e secondaire.

Ce cahier est divisé en quatre univers : l’univers matériel, l’univers Terre et espace, l’univers vivant et l’univers technologique. Chaque univers comporte des chapitres organisés de façon à respecter le plus fidèlement la Progression des apprentissages (PDA). Le cahier se termine par une Révision de fin d’année et un index.

Un sommaire détaillé présente le contenu de chacun des chapitres de l’univers.

Les univers Un court texte d’introduction présente les contenus de l’univers.

Une citation illustre les contenus de l’univers.

Les chapitres La page d’ouverture de chaque chapitre comporte la liste des concepts de la Progression des apprentissages abordés dans ce chapitre.

VI

PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE

© 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

Des connaissances préalables de 3e secondaire sont présentées.

Les sections et sous-sections sont numérotées pour un repérage facile.

Des capsules de connaissances générales sont présentées à l’occasion.

© 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE

VII

Des capsules portant sur l’environnement sont présentées à l’occasion.

Des clics + présentant des compléments d’information variés sont offerts en suppléments numériques sur maZoneCEC.

Les termes importants à retenir sont en bleu dans le texte et leur définition est mise en évidence.

Chaque section se termine par des activités (exercices et problèmes) en lien avec l’ensemble des concepts étudiés dans la section.

VIII

PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE

© 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

À la fin des chapitres La Synthèse fournit un résumé théorique des principaux concepts abordés dans le chapitre.

À l’aide de questions à choix multiple, à réponse courte et à développement, les Activités de synthèse permettent un retour sur l’ensemble des notions présentées dans le chapitre.

À la fin du cahier À l’aide de questions à choix multiple, à réponse courte et à développement, la Révision de fin d’année permet de faire un retour sur l’ensemble des connaissances acquises dans le cahier.

La couleur de la pastille du numéro indique de quel univers provient la connaissance ciblée par la question.

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PRÉSENTATION DE L’OUVRAGE

IX

Univers

matériel

E 5 mc2. Cette équation révolutionnaire bien connue fait le lien entre les deux fondements de l’Univers : la matière et l’énergie.

Toutes les sciences naturelles et toutes les technologies modernes sont fondées sur une compréhension de plus en plus précise de ces deux quantités indissociables. À plusieurs reprises dans l’histoire des sciences, les savants ont cru avoir résolu tous les mystères concernant la matière et l’énergie. Or, de nouvelles expériences ont régulièrement ébranlé les certitudes de la communauté scientifique. Bien que nos modèles actuels permettent d’exploiter la matière et l’énergie comme jamais auparavant, de nombreux mystères demeurent.

« Un jour, à force de fouiller l’atome,

un savant expliquera peut‑être la joie et la paix de l’esprit par des formules mathématiques.

»

BERNARD MOITESSIER (1925-1994), NAVIGATEUR ET ÉCRIVAIN

X

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SOMMAIRE

CHAPITRE 1

2

1.1 L’évolution du modèle atomique.....................................

1.1.1 De l’Antiquité à John Dalton......................................

1.1.2 Joseph John Thomson et l’électron......................

1.1.3 Ernest Rutherford et le noyau atomique...........

1.1.4 Niels Bohr et les couches électroniques............

1.2 La classification périodique des éléments...............

1.3.1 Généralités............................................................................

1.3.2 Les périodes et les familles.........................................

1.3.3 La notation de Lewis......................................................

3 3 4 5 7 13 13 15 17

CHAPITRE 2

Les solutions............................................................................... 28 Rappel................................................................................................................ 29 2.1 Les liaisons chimiques et les molécules...................... 30 2.1.1 Les ions................................................................................... 30 2.2 Les électrolytes............................................................................... 34 2.2.1 La dissociation électrolytique................................... 34 2.2.2 Les propriétés des électrolytes................................. 35 2.2.3 Les acides, les bases et les sels................................. 35 2.3 La concentration et le pH....................................................... 40 2.3.1 La concentration en grammes par litre (g/L) et en pourcentage........................................................... 40 2.3.2 La concentration en parties par million (ppm)............................................................... 41 2.3.3 Le pH........................................................................................ 42 SAVOIRFAIRE 1 Les calculs de concentration..................................

43

CHAPITRE 3

Les transformations chimiques........................... xx

3.1 La conservation de la matière............................................

3.1.1 La loi de la conservation de la masse..................

3.1.2 La conservation de la masse au cours des changements chimiques...................................

3.2 Les équations chimiques........................................................

3.2.1 La définition d’une équation chimique..............

3.2.2 Le balancement d’équations chimiques............

© 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

FAIRE 2 Le balancement d’équations chimiques.........

3.3 Les catégories de réactions chimiques.......................

3.3.1 la combustion ...................................................................

3.3.2 La neutralisation acidobasique................................

SAVOIR-

L’organisation de la matière.....................................

xx xx xx xx xx xx

xx xx xx xx

C HAPITRE 4

L’électricité et le magnétisme............................... xx 4.1 Les phénomènes électriques..............................................

4.1.1 La charge électrique.......................................................

4.1.2 L’électricité statique.........................................................

4.2 Les circuits électriques.............................................................

4.2.1 Les éléments de circuit.................................................

4.2.2 Les types de circuits........................................................

4.2.3 Le courant électrique.....................................................

4.2.4 La différence de potentiel...........................................

4.2.5 La résistance........................................................................

SAVOIRFAIRE 3 La mesure de l’intensité du courant et de la différence de potentiel.............................

4.3 L’analyse des circuits électriques.....................................

4.3.1 La loi d’Ohm.........................................................................

4.4 La puissance et l’énergie électrique...............................

4.4.1 La relation entre la puissance et l’énergie électriques..................................................

4.4.2 La relation entre la puissance, l’intensité du courant et la différence de potentiel............

4.5 Les phénomènes électromagnétiques........................

4.5.1 Le magnétisme..................................................................

4.5.2 Le champ magnétique d’un fil conducteur.....

xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx xx

C HAPITRE 5 L’énergie........................................................................................... xx Rappel................................................................................................................

5.1 La conservation de l’énergie................................................

5.1.1 La loi de la conservation de l’énergie...................

5.1.2 Le rendement énergétique........................................

5.2 L’énergie thermique....................................................................

5.2.1 La chaleur et la température.....................................

UNIVERS MATÉRIEL

xx xx xx xx xx xx

1

CHAPITRE

1

L’organisation

de la matière

PROGRESSION DES APPRENTISSAGES • Situer les groupes (familles) et les périodes dans le tableau périodique • Décrire des caractéristiques communes aux éléments d’un même groupe • Associer le nombre de couches électroniques d’un élément au numéro de la période à laquelle il appartient • Décrire le modèle atomique de Rutherford-Bohr • Représenter des atomes à l’aide du modèle de Rutherford-Bohr • Déterminer le nombre d’électrons de valence d’un élément • Représenter des atomes à l’aide de la notation de Lewis

2

CHAPITRE 1

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1.1

L’évolution du modèle atomique

Nos connaissances concernant l’atome ont considérablement évolué, et évoluent encore. En effet, chaque nouvelle expérience menant à des résultats inattendus oblige les scientifiques à modifier, parfois radicalement, ce qu’ils croyaient savoir sur la matière et sur l’atome.

1.1.1 De l’Antiquité à John Dalton 0

2500

500

1000

1500

2400 1779

1808

Début de la chimie moderne

Confirmation du modèle particulaire

ANTOINE LAURENT DE LAVOISIER (1743-1794)

JOHN DALTON (1766-1844)

La théorie des quatre éléments et celle des atomes se confrontent.

Les quatre éléments l’emporteront.

ARISTOTE (384-322 av. J.-C.)

DÉMOCRITE (460-370 av. J.-C.)

2400

1808

Les philosophes et penseurs grecs de l’Antiquité s’intéressent à presque tous les sujets. La nature de la matière n’y fait pas exception. Cependant, leurs théories sont basées sur des intuitions et non sur une démarche scientifique expérimentale. Ainsi : • Aristote enseigne que toute matière est constituée de quatre éléments, l’air, l’eau, la terre et le feu, mélangés dans différentes proportions. La notion de particule de matière est absente chez Aristote. Pour lui, la matière est continue, c’est-à-dire divisible à l’infini ; • Démocrite enseigne que la matière est discontinue, c’est-à-dire constituée de particules microscopiques, indestructibles et indivisibles (atomos, en grec).

Bien que Démocrite ait été plus proche de la vérité, ce sont les théories d’Aristote qui ont été enseignées pendant plus de 2000 ans.

Le chimiste britannique John Dalton effectue des travaux sur les gaz de l’atmosphère. Ses résultats l’amènent à poser les principes suivants : 1. Toute matière est constituée d’atomes. Chaque atome est microscopique, indivisible, indestructible et éternel.

2. Tous les atomes d’un même élément sont identiques (même masse, même taille, mêmes propriétés, etc.).

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3. Les atomes d’éléments différents sont différents (masses, tailles, propriétés, etc.).

4. Les atomes peuvent se combiner pour former des molécules.

Le composé résultant a des propriétés différentes des atomes qui le constituent.

1

1

5

Le modèle de Dalton est aussi appelé modèle particulaire.

UNIVERS MATÉRIEL

3

1.1.2 Joseph John Thomson et l’électron 1865

1870

1875

1880

1885

1890

1895

1874

1897

Hypothèse de l’existence d’une particule négative dans la matière

Découverte de l’électron

JOSEPH JOHN THOMSON (1856-1940) 1897

Bien que le modèle particulaire de Dalton constitue une avancée majeure, il n’explique pas pourquoi, dans certaines conditions, certaines substances s’attirent et d’autres se repoussent (voir la figure 1.1). Pour décrire ces phénomènes, certains scientifiques imaginent alors des charges positives et négatives et postulent que deux charges de même signe se repoussent l’une l’autre, tandis que deux charges de signes contraires s’attirent (voir la figure 1.2).

FIGURE 1.1 L’électricité statique

FIGURE 1.2 L’attraction et la répulsion des charges positives et négatives

C’est Joseph John Thomson qui démontre d’où proviennent ces charges.

En effet, ses expériences sur les tubes cathodiques (voir la figure 1.3) montrent que, dans certaines conditions, les atomes libèrent d’autres particules. En 1897, Thomson tire les conclusions suivantes : 1. L’atome est divisible, puisque des particules s’en échappent.

2. Les particules libérées sont beaucoup plus légères que les atomes et portent une charge électrique négative. On a nommé ces particules électrons.

3. Chaque atome doit porter autant de charges positives que de charges négatives, puisqu’il est électriquement neutre (charge globale nulle).

Ces trois conclusions constituent la base de son modèle atomique : l’atome « plum pudding », ou « pain aux raisins » (voir la figure 1.4). Électrons

FIGURE 1.3 Les tubes cathodiques Un tube cathodique est une ampoule contenant très peu d’air. En appliquant une tension électrique aux bornes de ce tube, des rayons s’y propagent.

Thomson a démontré que ces rayons étaient constitués d’électrons.

FIGURE 1.4 L’atome « pain aux raisins » de Thomson Après les découvertes de Thomson, l’atome est considéré comme une pâte portant une charge positive parsemée de particules portant une charge négative : les électrons. La charge positive de la pâte (le « pain ») est égale à la somme des charges négatives qui y sont introduites (les « raisins »), de sorte que chaque atome est globalement neutre.

4

CHAPITRE 1

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1.1.3 Ernest Rutherford et le noyau atomique 1900

1905

1910

1915

1920

1925

1930

1935

1900

1911

Découverte de la radioactivité

Découverte du noyau atomique et du proton

HENRI BECQUEREL (1852-1908)

MARIE CURIE (1867-1934)

PIERRE CURIE (1859-1906)

(suite)

ERNEST RUTHERFORD (1871-1937)

1900

1911

La radioactivité

La découverte du noyau Le physicien Ernest Rutherford effectue une expérience faisant intervenir la radioactivité et les particules a. Cette expérience est décrite dans la figure 1.5 et les résultats sont expliqués dans la figure 1.6, à la page suivante.

Vers 1900, le physicien Henri Becquerel étudie les phénomènes de phosphorescence et de fluorescence en exposant des sels d’uranium à la lumière du Soleil. Lors d’une journée nuageuse, il décide de les stocker dans un tiroir contenant une plaque photographique. Il découvre après quelques jours que la plaque a été impressionnée par un rayonnement, même à l’abri de la lumière. Becquerel conclut que l’uranium émet naturellement un rayonnement appelé les « rayons uraniques ».

Marie Curie et son mari, Pierre Curie, s’intéressent aux rayonnements découverts par Becquerel. D’abord, ils observent que le thorium émet lui aussi des rayonnements semblables à ceux de l’uranium. Ensuite, ils découvrent deux autres éléments encore plus radioactifs que l’uranium : le polonium et le radium.

En 1903, le couple partage avec Becquerel le prix Nobel de la physique, pour ses travaux sur la radioactivité. En 1911, Marie Curie reçoit un prix Nobel de chimie pour la découverte du radium et du polonium.

Bloc de plomb 1

Écran fluorescent

Métal radioactif Particules a Feuille d’or 2 3

1

Un faisceau de particules a est dirigé vers une mince feuille d’or (moins de 1/1000e de mm d’épaisseur).

2

Un écran fluorescent est placé autour de cette feuille.

3

Lorsqu’une particule a percute cet écran, elle y laisse une marque scintillante.

FIGURE 1.5 L’expérience de la feuille d’or

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UNIVERS MATÉRIEL

5

1911

(suite Ernest Rutherford)

e2

e2

ERNEST RUTHERFORD Parfois surnommé « le père de la physique nucléaire », Ernest Rutherford est né en 1871 en Nouvelle-Zélande. Après avoir travaillé sous la direction de Thomson à Cambridge, en Angleterre, il émigre au Canada en 1898, où il enseigne la physique à l’Université McGill, à Montréal.

C’est à cette université qu’il effectue la première fois la fameuse expérience de la feuille d’or. Il reçoit en 1911 le prix Nobel de chimie pour ses travaux.

e2

e2

e2

Noyau

e2

FIGURE 1.6 L’interprétation des résultats de l’expérience de la feuille d’or Résultat 1 : 99,99 % des particules a passent au travers de la feuille sans rencontrer d’obstacle.

Interprétation : La matière est principalement constituée de vide.

Résultat 2 : Quelques particules a (< 0,01 %) sont déviées, certaines de façon marquée.

Interprétation : Elles rencontrent sur leur trajectoire d’autres particules également chargées positivement qui les repoussent. La matière contient donc des charges positives condensées.

À la suite de cette expérience, Rutherford propose le modèle atomique suivant : 1. L’atome contient un noyau petit et très massif.

2. Ce noyau est constitué de charges positives : les protons. Ces protons forment la quasi-totalité de la masse de l’atome.

3. Puisque l’atome est globalement neutre, on déduit qu’il contient autant de protons que d’électrons.

4. Les électrons sont très éloignés des protons. S’ils ne s’écrasent pas sur le noyau à cause de l’attraction électrique, c’est qu’ils tournent à grande vitesse autour du noyau, c’est-à-dire qu’ils sont en orbite autour de celui-ci.

5. Un élément se distingue d’un autre par le nombre de protons que contient son noyau. Ce nombre est donné par le numéro atomique de l’élément. Par exemple, l’hydrogène contient un seul proton, alors que le carbone en a six (voir la figure 1.7).

Selon Thomson

Selon Rutherford

Électron

Numéro atomique 6

12,01

C

Carbone 2,6

85

Proton FIGURE 1.7 L’atome de carbone

6

CHAPITRE 1

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1.1.4 Niels Bohr et les couches électroniques 1910

1915

1913

Découverte des niveaux d’énergie

1920

1925

1930

1935

clic 1940

1945

1950

Le modèle de Rutherford rend compte de plusieurs phénomènes, mais pas du spectre lumineux émis par les gaz lorsqu’ils sont traversés par un courant électrique. Lorsque cette lumière passe au travers d’un prisme, elle se sépare en ses différentes couleurs, qui constituent son spectre d’émission (voir la figure 1.8).

Chaque substance possède son propre spectre.

Hélium

(suite)

Néon Tubes remplis de gaz et traversés par un courant électrique

NIELS BOHR (1885-1962)

FIGURE 1.8 Le spectre d’émission de l’hélium et du néon Mesure du nombre de protons de chaque élément

HENRY MOSELEY (1887-1915)

C’est le physicien danois Niels Bohr (un étudiant de Rutherford) qui a expliqué ce phénomène en 1913. Les explications ci-dessous et la figure 1.9 de la page suivante résument ses découvertes.

1. Dans chaque atome, les électrons n’occupent pas des orbites aléatoires, mais des orbites prédéterminées, ou couches électroniques, qui correspondent à certains niveaux d’énergie.

2. Plus l’orbite est éloignée du noyau de l’atome, plus son énergie est grande.

3. Un électron ne peut jamais se trouver entre deux niveaux d’énergie (orbites), ce qui explique pourquoi les électrons (chargés négativement) ne s’écrasent pas sur le noyau (chargé positivement).

4. Lorsqu’un électron absorbe de l’énergie, il passe d’une orbite inférieure à une orbite supérieure. L’atome est alors dans un état excité.

5. Lorsqu’un électron regagne son orbite inférieure, il émet de l’énergie sous forme de lumière.

6. La longueur d’onde (couleur) de cette lumière est caractéristique de l’écart d’énergie entre les deux orbites.

Ce modèle atomique se nomme le modèle de Rutherford‑Bohr.

DÉFINITION

Modèle de Rutherford-Bohr : Modèle de représentation de l’atome indiquant son nombre de protons et d’électrons ainsi que la répartition de ses électrons sur les couches électroniques (niveaux d’énergie).

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UNIVERS MATÉRIEL

7

1913

(suite Niels Bohr)

Couche de plus haute énergie

Cet électron descend d’un niveau. Il perd de l’énergie sous forme de lumière, par exemple rouge.

Couche de plus basse énergie

Cet électron descend de deux niveaux. Il perd plus d’énergie sous forme de lumière plus énergétique, par exemple bleue ou ultraviolette.

Position impossible pour un électron

FIGURE 1.9 L’atome de Bohr

À ces principes fondamentaux s’ajoutent des règles que les électrons semblent suivre lorsqu’ils occupent diverses couches. Dans le cas des vingt premiers éléments (de l’hydrogène au calcium), ces règles sont les suivantes : 1. La première couche électronique (la plus proche du noyau) contient au maximum deux électrons.

2. Les autres couches électroniques d’un atome ne peuvent contenir plus de huit électrons.

3. Les électrons ne peuvent occuper une couche supérieure avant que les couches inférieures ne soient remplies. Si c’est le cas, l’atome est excité. Il tend alors à revenir à son état fondamental en émettant de la lumière.

La figure 1.10 illustre ces principes pour l’hydrogène, le lithium, le néon et le calcium, ainsi que la façon simplifiée de représenter ces atomes selon le modèle de Rutherford-Bohr.

Atome d’hydrogène 1 proton/1 électron

clic

Atome de lithium 3 protons/3 électrons

2e couche

1p1

3p1 1e2

2e2 1e2

1re couche

1re couche (saturée)

Atome de néon 10 protons/10 électrons

Atome de calcium 20 protons/20 électrons

4e couche 2e couche (saturée)

10p1

20p1 2e2 8e2

1re couche (saturée) FIGURE 1.10 Le modèle de Rutherford-Bohr

8

CHAPITRE 1

2e2 8e2 8e2 2e2 1re, 2e et 3e couches (saturées)

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ACTIVITÉS 1.1 1

Indiquez quel scientifique ou philosophe (Aristote, Démocrite, Dalton, Thomson, Rutherford ou Bohr) a proposé chaque modèle. a) Ce modèle affirme pour la première fois que les atomes d’un même élément sont identiques alors que ceux d’éléments différents ne le sont pas. b) Ce modèle nie l’existence des particules de matière. c) Selon ce modèle, la charge positive est concentrée dans un noyau très dense et très petit comparativement à la taille globale de l’atome. d) Ce modèle explique pourquoi les électrons ne s’écrasent pas sur le noyau de l’atome. e) Selon ce modèle, les électrons circulent sur des couches bien précises autour du noyau. f) Ce modèle élaboré en 1808 n’explique pas les phénomènes électrostatiques. g) Ce modèle est élaboré à la suite d’une expérience faisant intervenir les particules a. h) Ce modèle explique la nature des rayons cathodiques. i) Dans ce modèle, les électrons sont éparpillés dans une boule qui a une charge globale positive. j) Il s’agit du premier modèle connu à postuler l’existence de particules de matière indivisibles.

2

3

Quel phénomène a amené Niels Bohr à établir le principe des couches électroniques ? a) La radioactivité de l’uranium

b) Le spectre lumineux des gaz

c) Les phénomènes électrostatiques

d) Les rayons cathodiques

a) Parmi les atomes suivants, lequel est dans un état excité ?

1) Béryllium

2) Azote

11 1 1

1 1 1 1 1 1 1

3) Oxygène

8p1

4) Chlore

17p1

b) Expliquez la réponse que vous avez donnée en a).

c) Que se passera-t-il lorsque cet atome reviendra à son état fondamental ?

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9

4

Plusieurs modèles atomiques ont été élaborés au fil du temps pour décrire la matière. a) Décrivez la différence fondamentale entre la vision d’Aristote et celle de Démocrite concernant la matière.

b) Décrivez deux aspects du modèle atomique de Dalton.

c) Quels phénomènes le modèle de Dalton n’était-il pas en mesure d’expliquer ?

d) Thomson a effectué un ajout au modèle de Dalton.

1) Décrivez cet ajout.

2) Représentez ci-contre le modèle de Thomson par un schéma.

e) Quels phénomènes le modèle de Thomson n’était-il pas en mesure d’expliquer ?

f) Ernest Rutherford et Niels Bohr ont effectué des ajouts au modèle de Thomson.

1) Décrivez ces ajouts.

2) Représentez ci-contre le modèle de Rutherford-Bohr

de l’atome de calcium.

10

CHAPITRE 1

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5

L’expérience menée par Ernest Rutherford est décrite ci-dessous.

• Un faisceau de particules a est dirigé vers une mince feuille d’or.

• Les atomes d’or sont globalement neutres.

• Un écran fluorescent est placé autour de cette feuille.

• 99,99 % des particules a passent au travers de la feuille sans rencontrer d’obstacle.

• Quelques particules a sont déviées, dont certaines de façon marquée.

Bloc de plomb Écran fluorescent

Métal radioactif Particules a Feuille d’or

a) Quel indice a-t-on que les atomes sont principalement constitués de vide ?

b) Quel indice a-t-on que les charges positives des atomes sont concentrées dans un noyau très dense ?

c) Quel indice a-t-on que le nombre de protons et d’électrons sont égaux ?

d) Quel aspect du modèle de Thomson est contredit par l’expérience de Rutherford ?

e) L’illustration ci-contre représente la trajectoire de certaines particules a qui entrent en collision avec une feuille d’or. Décrivez les deux erreurs présentes dans cette illustration.

1.

2.

f) Dans l’encadré ci-contre, représentez selon le modèle de Rutherford un atome dont le numéro atomique est 3.

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UNIVERS MATÉRIEL

11

6

Identifiez chaque élément chimique dont la configuration électronique est représentée. a)

b)

2e2

d)

2e2 8e2 3e2

e)

2e2 4e2

g)

12

2e2 8e2 8e2 1e2

f)

1e2

h)

2e2 5e2

7

c)

2e2 8e2

i)

2e2 8e2 2e2

2e2 8e2 8e2

Représentez chacun des éléments suivants à l’aide du modèle de Rutherford-Bohr. a) Béryllium

b) Soufre

c) Lithium

d) Calcium

e) Phosphore

f) Oxygène

g) Sodium

h) Fluor

i) Bore

CHAPITRE 1

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1.2

La classification périodique des éléments

L’étude des propriétés chimiques des éléments fait ressortir une certaine régularité de leurs propriétés. La classification périodique des éléments (amorcée par Dmitri Mendeleïev en 1869) rend compte de cette régularité. De plus, le modèle de Rutherford-Bohr montre le lien entre la structure des atomes et celle du tableau périodique.

DÉFINITION

Classification périodique des éléments : Méthode de classification des atomes en fonction de leur numéro atomique, de leur configuration électronique et de leurs propriétés chimiques.

Les sections suivantes décrivent les caractéristiques de cette classification, exprimées dans le tableau périodique des éléments.

1.2.1 Généralités Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par ordre croissant de numéro atomique, de gauche à droite et de haut en bas. De plus, ils sont séparés en trois groupes principaux, montrés dans la figure 1.11 et décrits à la page suivante.

Métaux 1

Métalloïdes

Non-métaux

H

2

He

Hydrogène

Hélium

3

Li

Lithium

11

Na Sodium

19

K

4

Be

Rb

Rubidium

55

Cs Fr

Francium

Bore

12

13

Mg

Magnésium

20

Ca

Calcium

38

Sr

Strontium

56

Cæsium

87

B

Béryllium

Potassium

37

5

Ba Ra

Radium

C

21

Sc

22

Scandium

39

Y

Yttrium

57-71

Ti

Titane

40

Zr

Zirconium

72

Hf

23

V

Vanadium

41

Nb

Niobium

73

Ta

Hafnium

89-103

104

Rf

Rutherfordium

57

La

Tantale

105

Db

Dubnium

58

Lanthane

89

Ac

Actinium

24

Ce

Cérium

90

Th

Thorium

Cr

Chrome

42

Mo

Molybdène

74

W

Tungstène

106

Sg

Seaborgium

59

Pr

Praséodyme

91

Pa

Protactinium

25

Mn

26

Manganèse

43

Tc

Technétium

75

Re

Rhénium

107

Bh

Bohrium

60

Nd

Néodyme

92

U

Uranium

Fe

27

Co

Fer

44

Ru

Ruthénium

76

Os

Cobalt

45

Rh

Rhodium

77

Ir

Osmium

108

Hs

Hassium

61

Pm

Prométhium

93

Np

Neptunium

28

Ni

29

Nickel

46

Pd

Iridium

Pt

Zn

Cuivre

47

Palladium

78

Cu

30

Ag Argent

79

Platine

Au Or

Zinc

48

Cd

80

Hg

Mercure

110

111

112

Meitnérium

Darmstadtium

Rœntgenium

Copernicium

62

63

64

65

Sm

Samarium

94

Pu

Plutonium

Ds

Eu

Europium

95

Am

Américium

Rg

Gd

Gadolinium

96

Cm Curium

Ga

Gallium

49

In

Cadmium

109

Mt

31

14

Cn

Tb

Terbium

97

Bk

Berkélium

Tl

32

Nh

Nihonium

66

Dy

Dysprosium

98

Cf

Californium

N

Ge

Azote

15

P

50

Sn Étain

82

Pb Plomb

114

Fl

Flérovium

67

Ho

Holmium

99

Es

Einsteinium

8

O

33

As

Arsenic

51

Sb

16

Bi

Bismuth

115

Mc

S

34

Se

52

Te

84

Po Lv

68

69

100

Fm

Fermium

35

Tm Thulium

101

Md

Mendélévium

Néon

18

Ar

Br

Argon

36

53

I

54

Iode

85

At Ts

Tennesse

70

Yb

Ytterbium

102

No

Nobélium

Xe Xénon

86

Astate

117

Kr

Krypton

Brome

Polonium

116

Cl

Ne

Chlore

Tellure

Livermorium

Erbium

17

Sélénium

Moscovium

Er

F

10

Fluor

Soufre

Antimoine

83

9

Oxygène

Phosphore

Germanium

Thallium

113

Si

Silicium

Indium

81

7

Carbone

Aluminium

Baryum

88

Al

6

Rn Radon

118

Og

Oganesson

71

Lu

Lutécium

103

Lr

Lawrencium

FIGURE 1.11 Les métaux, les métalloïdes et les non-métaux dans le tableau périodique des éléments

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UNIVERS MATÉRIEL

13

MÉTAUX (92 éléments, dont 26 synthétiques) Propriétés

Quelques métaux

Éléments qui possèdent les propriétés suivantes : • Éclat métallique • Bonne conductibilité thermique et électrique • Bonnes malléabilité et ductilité • Dégagent du dihydrogène (H2) en présence d’acide (effervescence) • Solides à température ambiante (sauf le mercure)

Yttrium (Y)

Scandium (Sc)

NON-MÉTAUX (17 éléments) Quelques non-métaux Brome (Br)

Propriétés Soufre (S)

• Éclat terne ou terreux • Mauvaise conductibilité thermique et électrique • Peu malléables et ductiles (pour les solides) • À température ambiante, certains sont solides et d’autres sont liquides ou gazeux.

MÉTALLOÏDES (7 éléments) Propriétés • Éléments qui possèdent quelques propriétés des métaux, mais pas toutes. Par exemple, le silicium (Si) est un bon conducteur et a un éclat métallique, mais n’est ni ductile ni malléable.

• L’appartenance de certaines substances aux métalloïdes diffère selon les ouvrages. Par exemple, le carbone (C) est parfois classé parmi les métalloïdes, car sous l’une de ses formes (le graphite), il conduit l’électricité.

14

CHAPITRE 1

Quelques métalloïdes Germanium (Ge)

Antimoine (Sb)

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1.2.2 Les périodes et les familles Les périodes Chaque ligne du tableau périodique est appelée période. Les éléments d’une même période ont le même nombre de couches électroniques, et le numéro de la période correspond au nombre de couches électroniques des éléments qui la constituent.

Par exemple, les éléments de la troisième période ont tous trois couches électroniques (voir la figure 1.12).

Sodium

Na

Magnésium

Mg 2e2 8e2 2e2

Phosphore

Silicium

Al

2e2 8e2 1e2

P

Aluminium

2e2 8e2 3e2

Soufre

S 2e2 8e2 5e2

Si 2e2 8e2 4e2

Chlore

Argon

Cl 2e2 8e2 6e2

Ar 2e2 8e2 7e2

2e2 8e2 8e2

FIGURE 1.12 La configuration électronique des éléments de la troisième période

Les familles Chaque colonne du tableau périodique constitue une famille.

On remarque que les éléments d’une même famille : • ont le même nombre d’électrons sur la dernière couche ou le même nombre d’électrons de valence (voir la figure 1.13) ; • ont des propriétés chimiques semblables.

F

Fluor

2e2 7e2

DÉFINITION

Électrons de valence : Nom donné aux électrons situés sur la couche électronique la plus éloignée du noyau. Ce sont ces électrons qui confèrent à l’élément la plupart de ses propriétés chimiques.

Comme les périodes, les familles sont numérotées.

Cette numérotation est double. Chaque famille possède : • un numéro de 1 à 18 ; • un numéro en chiffres romains suivi de la lettre A ou B. Par exemple, le fluor appartient à la famille 17 (ou VII A). Le chiffre romain des familles A correspond au nombre d’électrons de valence des éléments qui forment cette famille. Pour les familles B, les règles sont plus complexes.

Les familles 1, 2, 17 et 18 (ou I A, II A, VII A et VIII A) sont particulièrement intéressantes.

Cl

Chlore

2e2 8e2 7e2

Br

Brome

2e2 8e2 18e2 7e2

I

Iode

2e2 8e2 18e2 18e2 7e2

Astate

At 2e2 8e2 18e2 32e2 18e2 7e2

FIGURE 1.13 La configuration électronique des éléments de la famille 17 (VII A) © 2024, Les Éditions CEC inc. • Reproduction interdite

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15

IA

II A La famille 1 (I A)

3 Li

11 Na

19 K

Les alcalins Les éléments de cette famille : • possèdent un seul électron de valence ; • sont des métaux mous ayant un faible point de fusion ; • sont extrêmement réactifs : certains doivent être conservés dans l’huile pour éviter qu’ils n’explosent au contact de l’eau, ne serait-ce que l’humidité de l’air ; • forment des solutions basiques (alcalines) lorsqu’ils réagissent avec l’eau ; • n’existent pas à l’état pur dans la nature, car ils réagissent immédiatement avec d’autres éléments de leur environnement.

Notons que l’hydrogène ne fait pas partie des alcalins. Il forme une famille à part.

37 Rb

Les alcalino-terreux Les éléments de cette famille : • possèdent deux électrons de valence ; • ont des propriétés semblables à celles des alcalins, mais plus atténuées ; • ont un point de fusion plus élevé que les alcalins ; • sont assez abondants dans la croûte terrestre.

87 Fr

12 Mg

20 Ca

38 Sr

La famille 2 (II A)

55 Cs

4 Be

56 Ba

88 Ra

VIII A

La famille 17 (VII A) VII A

9F

17 Cl

Les halogènes Les éléments de cette famille : • possèdent sept électrons de valence ; • sont extrêmement réactifs : certains réagissent avec n’importe quel métal pour former un sel (ex. : le sel de table (NaCl)) ou avec l’hydrogène pour former un acide (ex. : l’acide fluorhydrique (HF)) ; • sont généralement toxiques et ont des propriétés désinfectantes ; • se présentent sous la forme de molécules diatomiques (F2, Cl2, Br2, I2, At2).

2 He

10 Ne

18 Ar

La famille 18 (VIII A) 35 Br

Les gaz inertes Les éléments de cette famille : • possèdent huit électrons de valence (à l’exception de l’hélium qui n’en possède que deux) ; • se présentent sous la forme d’un gaz incolore et inodore à la température ambiante ; • ne réagissent presque jamais avec d’autres éléments chimiques dans les conditions normales (d’où le terme inerte) ; • sont également appelés gaz nobles ou gaz rares.

53 I

85 At

16

CHAPITRE 1

36 Kr

54 Xe

86 Rn

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1.2.3 La notation de Lewis Puisque les propriétés chimiques d’un élément dépendent en grande partie de ses électrons de valence, il est souvent superflu de représenter le noyau et les couches électroniques inférieures. Pour cette raison, on représente fréquemment les atomes à l’aide de la notation de Lewis.

DÉFINITION

Notation de Lewis : Représentation d’un atome impliquant uniquement son symbole chimique et ses électrons de valence.

La notation de Lewis est fondée sur les règles suivantes : LE BORE

L’IODE

B

I

Puisque le bore est dans la famille 13 (III A), il possède trois électrons de valence.

Puisque l’iode est dans la famille 17 (VII A), il possède sept électrons de valence.

3. Chaque électron est représenté par un point. On place un électron sur chaque côté de l’élément, comme si ce dernier était entouré d’un carré.

B

I

4. Si l’élément possède plus de quatre électrons de valence, on refait un tour en formant des paires (ou doublets) d’électrons.

Les électrons non pairés sont qualifiés de célibataires.

B

Ex. : 1. On représente l’élément chimique par son symbole chimique, sans indiquer le nombre de nucléons.

2. On détermine le nombre d’électrons de valence à l’aide du numéro de la famille de l’élément.

Électron célibataire

I

Doublet d’électrons

La figure 1.14 montre la notation de Lewis des éléments de la troisième période.

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

FIGURE 1.14 La notation de Lewis des éléments de la troisième période

L’hélium constitue une exception puisqu’il ne possède que deux électrons de valence.

Sa notation de Lewis est représentée dans la figure 1.15.

He FIGURE 1.15 La notation de Lewis de l’hélium

Le point de départ pour placer les électrons n’a pas d’importance, tant que le nombre de doublets et d’électrons célibataires est approprié. Par exemple, la figure 1.16 montre quelques notations de Lewis de l’atome d’oxygène. Elles sont équivalentes, car dans tous les cas, l’oxygène est entouré de deux doublets et de deux électrons célibataires.

O

O

O

FIGURE 1.16 Différentes notations de Lewis de l’oxygène

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17

ACTIVITÉS 1.2 1

Comment nomme-t-on les éléments chimiques situés dans la même colonne du tableau périodique ? a) Une période

2

b) Une colonne

c) Une famille

d) Un groupement

Qu’est-ce qui justifie que des éléments soient placés dans la même colonne du tableau périodique ? a) Ils ont le même nombre d’électrons sur la couche électronique la plus proche du noyau. b) Ils ont le même nombre d’électrons sur la couche électronique la plus éloignée du noyau. c) Ils ont le même nombre de couches électroniques. d) Ils ont le même nombre de protons et de neutrons.

3

Comment nomme-t-on l’ensemble des éléments chimiques situés sur la même ligne du tableau périodique ? a) Une période

4

b) Une lignée

c) Une famille

d) Un groupement

Qu’est-ce qui justifie que des éléments soient placés sur la même ligne du tableau périodique ? a) Ils ont le même nombre d’électrons sur la couche électronique la plus proche du noyau. b) Ils ont le même nombre d’électrons sur la couche électronique la plus éloignée du noyau. c) Ils ont le même nombre de couches électroniques. d) Ils ont le même nombre de protons et de neutrons.

5

Soit le tableau ci-contre. Quelle association est adéquate ? a) Alcalins / Alcalino-terreux / Halogènes / Gaz inertes b) Gaz inertes / Alcalins / Alcalino-terreux / Halogènes c) Alcalino-terreux / Alcalins / Gaz inertes / Halogènes d) Alcalins / Halogènes / Alcalino-terreux / Gaz inertes

6

Une seule des représentations ci-dessous illustre correctement l’atome d’azote selon la notation de Lewis.

Décrivez l’erreur de chacune des autres représentations. a)

N REPRÉSENTATION

18

CHAPITRE 1

b)

N

c)

N

d)

N

ERREUR

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7

Nommez trois propriétés communes à tous les éléments métalliques.

1.

2.

3.

8

Dans chaque cas, indiquez la famille dont il est question (alcalins, alcalino-terreux, halogènes ou gaz inertes). a) Ils sont extrêmement réactifs : ils réagissent avec n’importe quel métal pour former un sel (ex. : le sel de table (NaCl)). b) Ils sont extrêmement réactifs : ils doivent parfois être conservés dans l’huile pour éviter qu’ils n’explosent au contact de l’eau. c) Ils ont des propriétés semblables à celles des alcalins, mais plus atténuées. d) Ils se présentent sous la forme d’un gaz incolore et inodore à la température ambiante. e) Ils sont généralement toxiques et ont des propriétés désinfectantes. f) Ils n’existent pas à l’état pur dans la nature, car ils réagissent immédiatement avec d’autres éléments de leur environnement. g) Leur dernière couche électronique contient huit électrons (à une exception près). h) Ils possèdent deux électrons de valence. i) Ils possèdent sept électrons de valence. j) Ce sont des métaux mous ayant un faible point de fusion. k) Ils ne réagissent avec aucun autre élément chimique dans les conditions normales. l) Ils réagissent avec l’eau pour former des solutions basiques.

9

Dans chaque cas : 1) tracez la configuration électronique de l’élément ; 2) représentez cet élément à l’aide de la notation de Lewis.

b) Élément alcalino-terreux de la quatrième période

a) Élément alcalin de la deuxième période 1)

2)

c) Gaz inerte de la deuxième période 1)

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1)

2)

d) Halogène de la troisième période 2)

1)

2)

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19

10 Sans avoir recours au tableau périodique, représentez dans la case appropriée chacun des élément décrits

ci-dessous. Utilisez la notation de Lewis. ÉLÉMENT

DESCRIPTION

Xénon (Xe)

Gaz inerte possédant cinq couches électroniques

Silicium (Si)

Élément de la troisième période possédant quatre électrons de valence

Antimoine (Sb)

Métalloïde de la cinquième période possédant cinq électrons de valence

Chlore (Cl)

Gaz extrêmement réactif qui possède trois couches électroniques

Sodium (Na)

Élément de la troisième période qui n’existe pas à l’état pur dans la nature et qui explose au contact de l’humidité de l’air

Brome (Br)

Halogène de la quatrième période

Radium (Ra)

Alcalino-terreux possédant le plus grand nombre de couches électroniques de sa famille

11 L’hélium est classé parmi les gaz inertes. Pourtant, il ne possède que deux électrons de valence et devrait donc

faire partie des alcalino-terreux. Expliquez ce qui justifie l’appartenance de l’hélium à cette famille.

12 Tracez la configuration électronique :

a) du krypton ;

20

CHAPITRE 1

b) du tellure.

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13 Lisez la description de ces quatre éléments chimiques, puis remplissez la fiche.

a)

b)

ÉLÉMENT 1 • Aspect blanc-gris argenté • Mauvais conducteur thermique et électrique • Solide à température ambiante • Cassant

Métal

ÉLÉMENT 2 • Liquide très volatil d’aspect brun-jaune à température ambiante • Mauvais conducteur thermique et électrique • Extrêmement réactif • Se combine avec les métaux pour former des sels

Non-métal

Métalloïde

Famille

Métal

15 (V A)

Non-métal

Famille

Période

Période

Nombre de couches électroniques

4

Nombre de couches électroniques

5

Nombre d’électrons de valence

Nombre d’électrons de valence

Nom et symbole

Nom et symbole

c)

d)

ÉLÉMENT 3

ÉLÉMENT 4 • Gazeux à température ambiante • Très mauvais conducteur d’électricité • Ne réagit pas avec les autres éléments chimiques

• Solide d’aspect gris brillant • Très bon conducteur d’électricité • Très réactif, mais moins que les éléments de la famille des alcalins

Métal

Non-métal

Métalloïde

Métal

Non-métal

Famille

Famille

Période

Période

Nombre de couches électroniques

Nombre de couches électroniques

Nombre d’électrons de valence

Nombre d’électrons de valence

Nom et symbole

Métalloïde

Calcium (Ca)

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Métalloïde

5

Nom et symbole

UNIVERS MATÉRIEL

21

SYNTHÈSE

1

L’évolution du modèle atomique Le modèle atomique a été perfectionné au fil des découvertes des deux derniers siècles.

DALTON (1808)

1

1

THOMSON (1897)

RUTHERFORD (1911)

RUTHERFORD-BOHR (1913)

5

• L’atome est la plus petite unité de matière. Il est indivisible.

• Les atomes d’un même élément sont identiques et ceux d’éléments différents sont différents.

• Les atomes s’assemblent pour former des molécules.

• L’atome contient des • Les charges positives • Les électrons occupent charges électriques. (protons) sont des orbites (couches concentrées dans un électroniques) précises dont • Des particules noyau minuscule. le remplissage obéit à des chargées négativement règles strictes. (électrons) sont réparties • Les électrons tournent uniformément dans une à grande vitesse autour • La transition d’un niveau à l’autre boule chargée positivement. du noyau et en sont très implique de l’énergie sous distancés.

L’atome est donc forme de rayonnement émis • Globalement, l’atome essentiellement vide. ou absorbé. est neutre.

Le modèle atomique de Rutherford-Bohr Les électrons (e2) : • ont une charge électrique de 21 ; • sont au même nombre que les protons ; • ont une masse négligeable ; • respectent les règles de remplissage de Bohr.

Chaque proton (p1) a une charge électrique de 11.

Son nombre détermine la nature de l’élément.

Les couches électroniques : • La première couche accueille un maximum de deux électrons.

• Les autres en accueillent au plus huit (pour les vingt premiers éléments).

• Une couche ne peut se remplir avant que la précédente ne soit saturée.

6p1 2e2 4e2

La classification périodique des éléments Le classement des éléments chimiques suit une structure mise en évidence dans le tableau périodique des éléments.

Les éléments d’une même : • famille (colonne) possèdent le même nombre d’électrons de valence et des propriétés chimiques semblables ; • période (ligne) possèdent le même nombre de couches électroniques.

La notation de Lewis consiste à représenter uniquement les électrons de valence d’un élément chimique.

22

CHAPITRE 1

Métaux Non-métaux Métalloïdes Alcalins Alcalino-terreux Halogènes Gaz inertes

Cl

C

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ACTIVITÉS DE

SYNTHÈSE 1

QUESTIONS À CHOIX MULTIPLE 1

2

Le modèle de Thomson permet d’expliquer des observations incompatibles avec le modèle de Dalton.

De quelles observations s’agit-il ? a) Les phénomènes électrostatiques

b) Les changements d’état

c) La masse relative des éléments

d) La pression des gaz

Quelle configuration électronique est erronée ? a)

b)

c)

2e2 8e2 7e2 3

2e2 8e2 6e2

2e2 7e2 8e2

X

b)

X

c)

X

d)

X

d)

K

Lequel des atomes est bien représenté selon la notation de Lewis ? a)

5

2e2 8e2 8e2

Lequel des schémas suivants représente la notation de Lewis des alcalino-terreux ? a)

4

d)

He

b)

Li

c)

B

Après avoir bombardé une feuille d’or avec des particules a, Ernest Rutherford a affirmé que l’atome était principalement vide et que les charges positives étaient concentrées dans un volume très petit au centre de chaque atome. Quelle observation l’a conduit à cette affirmation ? a) Plus de 99,99 % des particules a sont déviées de leur trajectoire initiale. b) Plus de 99,99 % des particules a traversent la feuille sans aucune déviation. c) Plus de 99,99 % des particules a se désintègrent au cours de leur trajet. d) Plus de 99,99 % des particules a sont absorbées par la feuille d’or.

QUESTIONS À RÉPONSE COURTE 6

Décrivez les principes de remplissage des couches électroniques valables pour les vingt premiers éléments du tableau périodique.

1.

2.

3.

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23

7

a) Associez chaque modèle atomique au scientifique qui en est l’auteur.

Ernest Rutherford

John Dalton

Niels Bohr

J. J. Thomson

•

•

•

•

•

•

•

•

A

B

C

D

1

1

5

b) À l’aide de la lettre qui les représente, placez ces modèles dans l’ordre chronologique.

D

C

B

A

8

Quel point ont en commun les éléments de la famille des alcalins et ceux de la famille des halogènes ?

9

a) Pourquoi, dans certaines situations, peut-on se contenter de représenter uniquement les électrons de valence d’un élément ?

b) Comment se nomme la notation utilisée dans ces situations ?

10 Voici la configuration électronique d’un atome neutre.

a) Quel est cet élément ?

b) À quelle famille appartient-il ?

c) À quelle période appartient-il ?

24

CHAPITRE 1

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11 Écrivez le terme ou l’expression qui convient à chaque description.

a) Types de rayons étudiés par Thomson et ayant mené à la découverte de l’électron b) Nom donné à une ligne du tableau périodique c) Nom donné aux électrons de la couche électronique la plus éloignée du noyau d) Ensemble d’éléments ayant des propriétés chimiques semblables e) Groupe d’éléments chimiques qui possèdent quelques propriétés des métaux, mais pas toutes f) Famille chimique constituée des métaux les plus réactifs du tableau périodique g) Famille à laquelle appartient le néon 12 Remplissez le tableau suivant. Au besoin, consultez le tableau périodique des éléments.

NOM DE L’ÉLÉMENT

Argon

Type (métal, non-métal, métalloïde)

Métal

Numéro Famille Nom Période Nombre de couches électroniques Nombre d’électrons de valence

3

3

1

2

Nombre d’électrons Nombre de protons

Modèle de Rutherford-Bohr

35p1 2e2 8e2 18e2 7e2

Notation de Lewis

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25

13 Représentez chaque élément décrit ci-dessous selon le modèle de Rutherford-Bohr et la notation de Lewis.

MODÈLE DE RUTHERFORD-BOHR

ÉLÉMENT

NOTATION DE LEWIS

a) Élément gazeux extrêmement réactif et possédant deux couches électroniques.

b) Alcalino-terreux de la troisième période.

c) Élément de la première période qui ne réagit presque pas chimiquement.

d) Élément très mou de la quatrième période et conservé dans l’huile en raison de sa forte réactivité.

e) Non-métal de la famille IA.

f) Élément ayant le moins de protons dans la famille IIA.

g) Gaz inerte de la troisième période.

QUESTIONS À DÉVELOPPEMENT 14 Le modèle de Rutherford n’explique pas le phénomène illustré ci-dessous.

Néon

Hélium chauffé Prisme

a) Quel ajout à ce modèle a permis une explication scientifique de ce phénomène ? Expliquez votre réponse.

b) Comment se nomme le modèle ainsi amélioré ?

26

CHAPITRE 1

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15 Après l’étude des phénomènes électrostatiques, les scientifiques

ont introduit le concept de charge électrique.

a) Pour chaque paire de charges illustrées ci-contre, dessinez les flèches représentant les mouvements des charges électriques lorsqu’elles sont en présence l’une de l’autre. b) Dans l’atome, quelle particule porte la charge : 1) positive (1) ?

2) négative (2) ?

c) Puisque l’atome comporte des charges électriques, comment se fait-il qu’il soit neutre (charge 5 0) ?

16 Pourquoi les gaz de la famille VIII A sont-ils qualifiés d’inertes ?

17 L’hydrogène (H) possède un électron de valence. Pourtant, il ne fait pas partie de la famille des alcalins.

Selon vous, pourquoi est-ce le cas ?

18 Dans l’Antiquité, Aristote et Démocrite débattaient de la continuité ou de la discontinuité de la matière. À la

lumière de ce que vous avez appris dans ce chapitre, peut-on dire que Démocrite avait entièrement raison ?

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27

CHAPITRE

5

L’énergie

PROGRESSION DES APPRENTISSAGES • Expliquer qualitativement la loi de la conservation de l’énergie • Appliquer la loi de la conservation de l’énergie dans divers contextes • Définir le rendement énergétique d’un appareil comme étant la proportion de l’énergie consommée qui est transformée en travail efficace • Expliquer comment améliorer le rendement énergétique d’un appareil électrique • Décrire la chaleur comme étant une manifestation de l’énergie • Décrire le lien entre la chaleur et la température

28

CHAPITRE 5

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RAPPEL CONCEPT

EXPLICATIONS

EXEMPLES

L’énergie est la capacité à effectuer un travail ou à produire un changement.

L’énergie chimique provient des liaisons qui unissent les atomes au sein des molécules.

Une réaction chimique peut absorber ou dégager de l’énergie.

L’énergie rayonnante provient des ondes électromagnétiques émises par les substances.

Le Soleil est notre principale source d’énergie rayonnante.

Dans le système international d’unités (SI), l’unité de mesure de l’énergie est le joule (J).

1

50

109

Ondes radio

1010 1011 1012

Microondes

1013

1014 1015 1017 1018 1019 1020

Rayons Rayons Rayons X infrarouges ultraviolets

Fréquence (Hz) 1021 1022

Rayons gamma

Lumière visible

L’énergie électrique provient du déplacement de particules présentes dans la matière : les électrons.

La foudre est un phénomène naturel qui implique de l’énergie électrique.

L’énergie mécanique provient du mouvement et de la position des corps.

L’énergie mécanique d’un corps en mouvement augmente si la masse ou la vitesse augmente.

L’énergie thermique provient de l’agitation des particules des substances.

L’énergie thermique varie chaque fois que la température d’une substance augmente ou diminue.

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29

5.1

La conservation de l’énergie 5.1.1 La loi de la conservation de l’énergie Dans l’Univers, l’énergie existe sous différentes formes : chimique, rayonnante, électrique, mécanique, thermique, etc. Ces formes d’énergie peuvent subir plusieurs types de modifications, comme l’illustre le tableau 1.

TABLEAU 1 Les modifications de l’énergie

MODIFICATION L’énergie peut se déplacer d’un point à un autre.

EXEMPLE L’énergie rayonnante émise par le Soleil se déplace dans l’espace, portée par les ondes électromagnétiques, dont fait partie la lumière visible.

Soleil Terre

L’énergie peut se transformer d’une forme à une autre.

L’énergie chimique contenue dans une pile est convertie en énergie électrique pour alimenter un circuit.

L’énergie peut être transférée d’un corps à un autre.

La boule A entre en collision avec la boule B. Au moment de la collision, l’énergie mécanique de la boule A est transférée à la boule B, initialement au repos.

Énergie E (J)

A

B Temps t A B

A B

A B

Bien que l’énergie puisse être modifiée, la quantité totale d’énergie qui se trouve dans un système isolé ne peut jamais varier ; on appelle ce principe la loi de la conservation de l’énergie.

DÉFINITION

Loi de la conservation de l’énergie : Principe selon lequel la quantité totale d’énergie contenue dans un système isolé est constante ; l’énergie ne peut ni être créée ni être détruite, seulement transférée ou transformée d’une forme à une autre.

30

CHAPITRE 5

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Dire qu’un système est isolé signifie qu’il n’y a aucun échange de matière et d’énergie avec son environnement, contrairement à un système ouvert. Un système fermé permet quant à lui uniquement des échanges d’énergie (voir la figure 5.1). Selon nos connaissances actuelles, le seul cas qui pourrait être défini comme un système isolé serait l’Univers. Toutefois, le concept de système isolé est fort utile pour simplifier l’étude des principes de conservation de l’énergie.

Système isolé : aucun échange d’énergie ni de matière

Système ouvert : échanges d’énergie et de matière

FIGURE 5.1 Les types de systèmes

Système fermé : échanges d’énergie seulement

Il est donc faux de dire que l’on peut « créer » ou « produire » de l’énergie. Ainsi, une centrale hydroélectrique ne « produit » pas d’énergie : elle transforme l’énergie mécanique de l’eau qui passe dans la turbine en énergie électrique (voir la figure 5.2).

Réservoir

Conduite forcée

FIGURE 5.2 Une centrale hydroélectrique L’énergie mécanique de l’eau (qu’on appelle également de l’énergie hydraulique) descendant la conduite forcée est transférée à la turbine, qui tourne sur elle-même. Le générateur la transforme alors en énergie électrique. Selon le type d’appareil utilisé par les abonnés du réseau, l’énergie électrique sera transformée en différentes formes d’énergie.

Alternateur

Turbine Générateur à turbine

De même, l’énergie chimique des piles est transformée en énergie thermique dans une chaufferette portative (voir la figure 5.3). Énergie E (J)

Énergie totale Énergie thermique

FIGURE 5.3 Une chaufferette portative L’énergie chimique emmagasinée dans les piles de cette chaufferette portative est transformée en énergie thermique. Tout au long de la transformation, l’énergie totale du système demeure constante.

Énergie chimique

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Temps t

31

5.1.2 Le rendement énergétique Énergie consommée (énergie électrique)

L’énergie consommée par un appareil n’est jamais entièrement transférée ou transformée en énergie utile, c’est-à-dire en énergie servant à effectuer le travail pour lequel l’appareil a été conçu. Une partie de l’énergie est dissipée, donc inutilisable par l’appareil.

Par exemple, le moteur d’un mélangeur transforme l’énergie électrique (énergie consommée) en énergie mécanique pour faire tourner la lame (énergie utile). Il émet toutefois aussi de la chaleur et du bruit (énergie dissipée).

L’énergie consommée est donc la somme de l’énergie utile et l’énergie dissipée : Econsommée 5 Eutile 1 Edissipée Le rendement énergétique est le pourcentage de l’énergie consommée qui sert réellement à accomplir un travail. Il ne peut jamais dépasser 100 %.

DÉFINITION

Énergie utile (énergie mécanique)

Énergie dissipée (chaleur et bruit)

Rendement énergétique : Proportion de l’énergie consommée par un système qui est transformée en énergie utile.

On le calcule à l’aide du rapport suivant : (en %)

Rendement énergétique 5

Eutile

Econsommée

Quantité d’énergie utile (en J)

3 100 %

Énergie utile (énergie rayonnante) ?J

EXEMPLE 1

Une ampoule à incandescence de 100 W qui consomme 100 J d’énergie électrique chaque seconde émet 95 J d’énergie thermique. Quel est son rendement énergétique ?

Quantité d’énergie consommée (en J)

Énergie consommée (énergie électrique) 100 J

Énergie dissipée (énergie thermique) 95 J

DONNÉES

CALCULS

RÉPONSE

Econsommée 5 100 J Edissipée 5 95 J Rendement énergétique 5 ? %

Econsommée 5 Eutile 1 Edissipée Eutile 3 100 % Rendement énergétique 5 Econsommée Eutile 5 Econsommée 2 Edissipée Eutile 5 100 J 2 95 J 5 5 J Rendement énergétique 5 5 J 3 100 % 100 J Rendement énergétique 5 5 %

Seulement 5 % de l’énergie consommée par cette ampoule sert à éclairer.

EXEMPLE 2

Le rendement énergétique d’une ampoule à DEL est de 90 %. Quelle est sa consommation d’énergie électrique pour produire 5 J d’énergie lumineuse ?

DONNÉES Rendement énergétique 5 90 % Eutile 5 5 J Econsommée 5 ? J

32

CHAPITRE 5

CALCULS Rendement énergétique 5 Econsommée 5

RÉPONSE

Eutile 3 100 % Econsommée

Eutile 5J 3 100 % 5 3 100 % < 5,56 J rendement énergétique 90 %

Sa consommation d’énergie électrique est d’environ 5,56 J.

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ACTIVITÉS 5.1 1

2

3

Quel système s’approche le plus d’un système isolé ? a) Un marteau-piqueur utilisé pour creuser l’asphalte

b) Une voiture laissée en plein soleil

c) Une glacière fermée hermétiquement

d) Une chaufferette en marche

Quelle action permettrait d’améliorer le rendement énergétique d’un moteur électrique ? a) Faire fonctionner le moteur plus longtemps

b) Lubrifier les pièces mobiles pour diminuer la friction

c) Améliorer la ventilation pour évacuer la chaleur produite

d) Peindre le moteur en bleu

Dans chaque cas : 1) indiquez si la situation représente un transfert ou une transformation d’énergie ; 2) précisez la ou les principales formes d’énergie impliquées.

a) Une lampe de poche à piles allumée 1)

2)

b) Une joueuse de hockey qui fait un lancer frappé 1)

2)

c) Un chauffe-eau en fonction 1)

2)

d) Un feu de foyer 1)

2)

4

Imaginons un moteur fictif dont le rendement serait de 100 %. Expliquez pourquoi ce moteur serait nécessairement silencieux pendant son fonctionnement.

5

À votre avis, pourquoi le rendement énergétique d’un chariot neuf est-il meilleur que celui d’un chariot rouillé ?

6

Un panneau solaire produit 700 J d’énergie électrique lorsqu’il reçoit 5000 J d’énergie rayonnante. Quel est le rendement énergétique de ce panneau ?

RÉPONSE :

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33

7

Une ampoule fluocompacte de 32 W dégage 66 240 J d’énergie thermique. L’énergie électrique qui alimente cette ampoule est de 82 800 J.

Énergie électrique 82 800 J

a) Si aucune autre perte d’énergie ne s’est produite, quelle est la quantité d’énergie rayonnante émise par cette ampoule ?

Énergie rayonnante ?J Énergie thermique 66 240 J

RÉPONSE :

b) Quel est le rendement énergétique de cette ampoule ?

RÉPONSE :

8

Un laser dégage 44 J d’énergie thermique. Une énergie totale de 60 J a servi à alimenter ce laser. Quel est le rendement énergétique de ce laser ?

RÉPONSE :

9

Un élément chauffant possède un rendement énergétique de 60 %. S’il consomme 200 J d’énergie chaque seconde, quelle quantité d’énergie thermique fournit-il en 1 heure ?

RÉPONSE :

10 Un lance-balles de tennis a un rendement énergétique de 32 %. L’énergie d’une balle qui sort de l’appareil est

de 300 J. Quelle est l’énergie consommée par cet appareil pour propulser la balle ?

RÉPONSE :

34

CHAPITRE 5

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5.2

L’énergie thermique

5.2.1 La chaleur et la température Les particules (atomes et molécules) qui composent les substances sont plus ou moins agitées selon l’état de la substance (voir la figure 5.4). Peu importe cet état, lorsque les particules se déplacent de manière désordonnée et vibrent à des vitesses différentes, elles possèdent une énergie cinétique associée à ces mouvements. Cette énergie cinétique globale est ce que l’on nomme énergie thermique.

Solide

Liquide

Gazeux

• La température est plus basse et les particules ont peu de mouvement.

• Les particules sont proches les unes des autres.

• La température est moyenne et les particules ont un peu plus de mouvement.

• Les particules demeurent proches les unes des autres.

• La température est plus élevée et les particules ont beaucoup de mouvement.

• Les particules s’éloignent les unes des autres.

ÉTAT

EXPLICATIONS

FIGURE 5.4 L’agitation des particules d’eau selon leur état DÉFINITION

Énergie thermique (Et ) : Énergie que possède une substance en raison de l’agitation de ses particules (atomes ou molécules).

L’énergie thermique d’une substance est difficile à mesurer directement. Cependant, elle dépend de deux grandeurs plus faciles à obtenir : le nombre de particules qui composent la substance et leur température.

DÉFINITION

Température (T) : Niveau moyen d’agitation des particules d’une substance.

Lorsqu’un corps gagne de l’énergie thermique, sa température augmente. Au quotidien, le degré Celsius (°C) est l’unité de mesure de la température. Le kelvin est l’unité de mesure de base du système international d’unités (SI) et est davantage utilisé dans les travaux scientifiques (0 °C 5 273,15 K).

LE ZÉRO ABSOLU Un corps qui serait entièrement dépourvu d’énergie thermique atteindrait une température de 2273,15 °C, ou 0 K, que l’on appelle zéro absolu.

Il s’agit de la température la plus basse qui puisse exister, puisqu’elle implique que les particules qui constituent le corps ont entièrement cessé de bouger.

On sait cependant qu’il est impossible d’atteindre le zéro absolu, puisque cela contreviendrait à certains principes de la physique quantique.

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Point d’ébullition de l’eau

373,15

100

212

Point de congélation de l’eau

273,15

0

32

2273,15

2459,67

Zéro absolu

0

Kelvin (K)

Celsius (°C)

Fahrenheit (°F)

UNIVERS MATÉRIEL

35

EXEMPLE 1

Pour chacune des situations ci-dessous, déterminez lequel des deux béchers d’eau possède la plus grande énergie thermique. Expliquez votre réponse.

SITUATION a)

b)

75 °C

75 °C

100 g

200 g

25 °C

75 °C

200 g

200 g

EXPLICATION Puisque l’eau est à une température de 75 °C dans les deux béchers, celui avec 200 g a une plus grande énergie thermique puisqu’il contient un plus grand nombre de particules.

Puisque les deux béchers contiennent le même nombre de particules (200 g d’eau), le bécher ayant la plus grande température (75 °C) a une plus grande énergie thermique puisque ses particules sont plus agitées.

Avant le transfert

Après le transfert

FIGURE 5.5 Le transfert d’énergie thermique entre deux substances de températures différentes

Lorsque deux substances de températures différentes sont mises en contact, les particules de chacune entrent en collision et la substance dont la température est la plus élevée transfère de l’énergie thermique à la substance dont la température est la plus basse (voir la figure 5.5). Ce transfert d’énergie porte le nom de chaleur et se mesure en joules (J). Ainsi, si on ajoute du lait froid dans un café chaud, l’énergie thermique du café se transfère vers le lait, jusqu’à ce que le lait et le café atteignent la même température.

DÉFINITION

Chaleur (Q) : Transfert d’énergie thermique entre deux substances de températures différentes.

La chaleur représente donc une variation de l’énergie thermique : Chaleur (en J)

Q 5 DEt

Variation de l’énergie thermique (en J) DEt 5 Et finale 2 Et initiale

Dans le langage courant, on confond les termes « température » et « chaleur » ; il s’agit pourtant de deux concepts distincts. La température est un indicateur de la quantité d’énergie thermique d’un corps, qu’il soit isolé ou en contact avec d’autres, tandis que la chaleur ne se manifeste que lors d’un transfert d’énergie thermique entre deux objets.

Un thé ne dégage pas de chaleur s’il est contenu dans une bouteille isolante. Même si sa température est élevée, il n’échange aucune énergie thermique avec son environnement. En revanche, si on le boit par une froide journée d’hiver, notre corps reçoit bien de la chaleur !

36

CHAPITRE 5

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ACTIVITÉS 5.2 1

Que se passe-t-il si on augmente la température d’un corps ? a) Ses atomes et molécules ne subissent aucun changement. b) Ses atomes et molécules changent de couleur. c) Ses atomes et molécules prennent de l’expansion. d) Ses atomes et molécules s’agitent davantage.

2

On laisse tomber un glaçon dans un verre de jus tiède. Quels phénomènes se produisent alors ? a) La température du jus augmente. b) La température du jus diminue. c) Il se produit un transfert de chaleur du jus vers le glaçon. d) Il se produit un transfert de chaleur du glaçon vers le jus.

3

Expliquez dans vos mots la différence entre énergie thermique et chaleur.

4

Dans chaque cas, cochez l’énoncé décrivant la situation qui implique la plus grande quantité d’énergie thermique. a)

100 ml d’éthanol à 80 °C 50 ml d’éthanol à 80 °C

5

b)

1 kg de sable à 20 °C 1 kg de sable à 45 °C

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. S’il est faux, corrigez-le.

VRAI

FAUX

a) La chaleur se mesure en kelvins.

b) Lorsque deux substances entrent en contact, l’énergie thermique est transférée de la substance ayant la température la plus élevée vers la substance ayant la température la plus basse.

c) Lorsqu’une substance reçoit de l’énergie thermique, ses particules deviennent plus agitées.

d) Un liquide à 10 °C ne possède aucune énergie thermique.

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37

SYNTHÈSE

5

La conservation de l’énergie • L’énergie représente la capacité à effectuer un travail ou à produire une transformation. Elle se mesure en joules ( J).

• L’énergie peut subir plusieurs types de modifications : Elle peut se déplacer d’un point à un autre.

Elle peut être transférée d’un corps à un autre.

Elle peut se transformer d’une forme à une autre.

• Ces modifications doivent respecter la loi de la conservation de l’énergie : la quantité totale d’énergie dans un système isolé est constante.

• L’énergie consommée n’est jamais entièrement transférée ou transformée en énergie utile. Une partie de l’énergie est dissipée, donc inutilisable par l’appareil.

Econsommée 5 Eutile 1 Edissipée • Le rendement énergétique est la proportion de l’énergie consommée par un système qui est transformée en énergie utile.

Rendement énergétique 5

Eutile 3 100 % Econsommée Énergie utile (énergie rayonnante) ?J

EXEMPLE 1

Les calculs ci-dessous permettent de déterminer le rendement énergétique d’une ampoule incandescente de 100 W.

Énergie consommée (énergie électrique) 100 J

Énergie dissipée (énergie thermique) 95 J

DONNÉES

CALCULS

RÉPONSE

Econsommée 5 100 J Edissipée 5 95 J Rendement énergétique 5 ? %

Econsommée 5 Eutile 1 Edissipée Eutile 3 100 % Rendement énergétique 5 Econsommée Eutile 5 Econsommée 2 Edissipée Eutile 5 100 J 2 95 J 5 5 J Rendement énergétique 5 5 J 3 100 % 100 J Rendement énergétique 5 5 %

Seulement 5 % de l’énergie consommée par cette ampoule sert à éclairer.

L’énergie thermique • L’énergie thermique (Et) est l’énergie que possède toute substance en raison de l’agitation de ses atomes et molécules. On évalue indirectement cette grandeur en mesurant la température (T), c’est‑à‑dire le niveau moyen d’agitation des particules d’une substance.

• La chaleur (Q) est un transfert d’énergie thermique entre deux substances ayant des températures différentes. Le transfert s’effectue toujours en direction du corps ayant la température la plus basse. Elle représente donc une variation de l’énergie thermique DEt (DEt 5 Et finale 2 Et initiale ).

Q 5 DEt

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CHAPITRE 5

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ACTIVITÉS DE

SYNTHÈSE 5

QUESTIONS À CHOIX MULTIPLE 1

Quel énoncé décrit l’application de la loi de la conservation de l’énergie au cours du fonctionnement d’un grille-pain ? a) Énergie électrique 1 énergie rayonnante 1 énergie thermique 5 énergie dissipée b) Énergie électrique 5 énergie rayonnante 1 énergie thermique 1 énergie dissipée c) Énergie électrique 5 énergie rayonnante 5 énergie thermique 5 énergie dissipée d) Énergie électrique 1 énergie rayonnante 5 énergie thermique 1 énergie dissipée

2

Une lampe à dynamo reçoit 1100 J d’énergie mécanique. Elle produit 275 J d’énergie lumineuse et dissipe 825 J d’énergie thermique pendant cette période. Quel est le rendement énergétique de cette lampe ? a) 25 %

3

b) 33 %

c) 50 %

d) 75 %

Le 7 décembre 2018, la sonde spatiale Chang’e 4, d’une masse de 3780 kg, a aluni sur la face cachée de la Lune. Quel est le poids de cette sonde spatiale sur la Lune si l’intensité du champ gravitationnel de la Lune est de 1,62 N/kg ? a) 2364 N

b) 3780 N

c) 6048 N

d) 37 044 N

QUESTIONS À RÉPONSE COURTE 4

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. S’il est faux, corrigez-le.

VRAI

FAUX

a) Lorsqu’une substance dégage de la chaleur, sa température augmente.

b) Un verre d’eau et un pichet d’eau sont à la même température. Ils possèdent donc la même quantité d’énergie thermique.

c) Lorsqu’on dépose des glaçons dans un verre d’eau, l’eau transfère de l’énergie thermique aux glaçons.

d) Le transfert de chaleur entre deux objets se poursuit jusqu’à ce que les deux aient la même température.

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UNIVERS MATÉRIEL

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QUESTIONS À DÉVELOPPEMENT 5

Le système de chauffage d’un immeuble fournit à chacun des quatre étages 50 000 J d’énergie thermique par minute. Si ce système de chauffage consomme 850 000 J d’énergie électrique chaque minute, quel est son rendement énergétique ?

RÉPONSE :

6

Un ventilateur consomme 720 000 J d’énergie électrique en une heure. L’énergie cinétique transmise aux pales est de 158 400 J. Quel est le rendement énergétique de cet appareil ?

RÉPONSE :

7

Un ordinateur portable consomme 110 000 J d’énergie électrique en une heure.

Durant cette période, 90 000 J d’énergie sont perdues sous différentes formes (chaleur, son, etc.). Quel est le rendement énergétique de cet ordinateur portable ?

RÉPONSE :

8

Un réfrigérateur possède un rendement énergétique de 35 %. S’il consomme 720 000 J d’énergie électrique chaque heure, quelle quantité de chaleur est évacuée du réfrigérateur ?

RÉPONSE :

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CHAPITRE 5

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La collection Interactions est destinée à l’enseignement du cours de Science et technologie ST de la 4e année du secondaire.

Elle couvre l’ensemble des concepts prescrits par le Programme de formation du ministère de l’Éducation.

La collection propose une approche notionnelle divisée en quatre univers dont la séquence des chapitres respecte la pratique enseignante. Elle prépare les élèves à l’épreuve unique de fin d’année.

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