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RÉPUBLIQUE DE DJIBOUTI
Unité-égalité-Paix

MINISTÈRE DE L’ÉDUCATION NATIONALE
ET DE LA FORMATION PROFESSIONNELLE

PHYSIQUE - CHIMIE

Seconde

Conçu et rédigé par :

M. MOHAMED DAHER GUIREH M. BACHIR AHMED ABDO
Conseiller pédagogique de Physique - Chimie Conseiller pédagogique de Physique - Chimie

Coordinateur CRC M. ELMI MOUSSA HASSAN
Conseiller pédagogique de Physique - Chimie
M. ELMI FOURREH IBRAHIM
Conseiller pédagogique de Physique - Chimie

ABDOURAHMAN ABDALLAH OKIEH TAMER MOHAMED SALEH
Professeur de Physique- Chimie Professeur de Physique- Chimie

Mme. AYAN MOHAMED KAMIL
Professeur de Physique- Chimie

Équipe de validation :

Dr. ABDILLAHI ISMAËL OMAR
Dr. IDRISS BEXI WARSAMA
ALI AHMED GUIRREH

Conseiller pédagogique de Physique - Chimie

Sous la direction pédagogique de :

M. ABDILLAHI FARAH WAÏSS
Conseiller pédagogique référent de Physique - Chimie

Centre de Recherche,
d’Information et de Production
de l’Éducation Nationale

Maquette et mise en page : M. AHMED ALI MOHAMED
Coordination graphique : M. CHEHEM ABDALLAH HASSAN
Illustrations / Couverture : M. SAÏD ALI MOHAMED
Coordination graphique : M. MOUKHALED ABDOUL-AZIZ HASSAN (DRPE)

M. OMAR YOUSSOUF ALI (CSE)

Le Directeur Général du CRIPEN, M. Mohamed Moussa Yabeh, remercie de sa participation
M. Pierre-Grégoire KOHN pour l›accompagnement didactique.

ISBN : 978-2-38083-076-7

c CRIPEN - édition 2013

Preface

Notre système éducatif parachève aujourd’hui sa mutation avec la mise
en place de la réforme de l’enseignement secondaire qui s’inscrit dans la
continuité de celle de l’enseignement fondamental et s’articule de manière
cohérente et pertinente avec l’enseignement supérieur.
Cette réforme de l’enseignement secondaire conduira à la mise en place du
nouveau baccalauréat djiboutien en juin 2016.
Cette refonte d’envergure, des programmes, outils didactiques et méthodes
d’enseignement, a non seulement pour objectif de répondre aux attentes
sociales, culturelles et économiques de notre pays mais également de
favoriser une ouverture sur le monde extérieur.
Ce manuel de seconde «Physique - Chimie» fruit d’une collaboration
plurielle entre experts nationaux et internationaux, inspecteurs,
professeurs des lycées, maquettistes et graphistes du CRIPEN, développe
des approches pédagogiques et didactiques novatrices qui permettent à
l’élève d’être acteur de ses propres apprentissages.
Ce manuel est accompagné d’un guide pédagogique et/ou d’un support
numérique permettant d’optimiser son utilisation et de guider l’enseignant
dans ses pratiques de classe.
Il convient enfin de souligner que la conception, dans notre pays, des
premiers manuels de l’Enseignement Secondaire constitue, un pas
important dans le processus d’autonomisation de notre dispositif éditorial.
Chers élèves, chers enseignants et chers parents, je reste persuadé que
vous saurez tirer le meilleur profit de ce manuel qui vous accompagnera
au mieux dans l’atteinte de l’objectif de Qualité des enseignements-
apprentissages, qui est la priorité du Ministère de l’Education Nationale et
de la Formation Professionnelle.
Ce manuel vous appartient, faites-en bon usage avec le plus grand soin !

Dr. Djama Elmi Okieh
Ministre de l’Éducation Nationale
Et de la Formation professionnelle

Avant-propos

Ce manuel de physique-chimie est le premier ouvrage de la classe de seconde édité par le
CRIPEN. Il est conforme au nouveau programme issu de la reforme du secondaire qui rentrera en
application l’année scolaire 2013-2014. De façon générale, nous avons voulu proposer aux élèves
un outil de travail utile et agréable par la clarté du cours, la rigueur du contenu, l’authenticité
de l’expérimentation, la variété des exercices et la richesse des documents. Notre soucis a été de
bien relier les chapitres entre eux, afin de souligner la cohérence des connaissances à acquérir. Ce
manuel est organisé en 19 chapitres et découpé en trois thèmes qui sont intitulés : Exploration de
l’univers, progrès technique et amélioration du quotidien, la physique et la chimie pour le bien être
de l’Homme.

Tous les chapitres sont organisés une structure simple :

En guise d’introduction, un texte appuyé par une photo et sa légende qui doivent susciter le désir
d’aller au-delà. et de comprendre le contenu. Sur la même page, les compétences attendues sont
clairement énoncés.

Au début de chaque partie, une page permet de faire le point sur les savoirs et les savoir-faire
acquis au collège.

Chaque partie est structuré ainsi : Une activité documentaire et/ou expérimentale, les cours et les
exercices.

L’activité documentaire met en œuvre des notions fondamentales qui sont détaillées
clairement dans les cours.

L’activité expérimentale prend, dans cet ouvrage, une part très importante. Elle propose des
manipulations permettant de faciliter les apprentissages.

Le cours, soigneusement illustré, et le contenu de chaque chapitre est laregement détaillé. Les
notions et résultats fondamentaux sont clairement mis en évidence, et le cours se termine par
un résumé dans « l’essentiel du cours ».

Les exercices, fort nombreux, entièrement renouvelés sont classés par niveau de difficulté et
sont organisés en trois rubriques :

Connaître : cette rubrique permet à l’élève un rapide inventaire, préalable à
l’entraînement proprement dit, des connaissances qu’il a acquises en étudiants la leçon.

Appliquer : elle permet à l’élève de s’appliquer davantage avec des exercices de
difficultés graduées.

Analyser : cette rubrique propose, entre autres, des exercices à caractère expérimental et
documentaire dans lesquels l’élève doit réflechir davantage.

À la fin de chaque thème, une situation problème est présentée pour que les élèves puissent
mobiliser certaines compétences transversales :

Proposer une hypothèse ;

Exploiter un document ;

Expliquer une démarche.

Nous souhaitons que ce livre, conçu pour les élèves de seconde, soit aussi pour nos collègues
un instrument de travail sûr et efficace. Nous accueillerons avec plaisir toutes les remarques et
suggestions qu’ils voudront bien nous faire parvenir.

Nous remercions tous ceux qui ont participé à la réalisation du manuel de près ou de loin tant sur
le fond que sur la forme.

Les auteurs

Programme

Notions et contenus EXPLORATION DE L’UNIVERS

Description de l’Univers : l’atome, la Terre, le Compétences attendues
système solaire, la Galaxie, les autres galaxies, exo-
planètes et systèmes planétaires extrasolaires. Analyser des documents scientifiques portant sur la description de l’Univers.
Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur des tailles et des
Propagation rectiligne de la lumière, vitesse de la distances.
lumière dans le vide et dans l’air. Connaître ce que signifie « structure lacunaire de la matière ».
L’année de lumière. Mettre en œuvre une technique de mesure d’une petite et d’une grande longueur.
Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt
Expliquer l’expression « voir loin, c’est voir dans le passé ».

L’élément chimique. Savoir qu’un élément est caractérisé par son numéro atomique.
Les constituants de l’atome : Nucléons (protons et
neutrons), électrons. Analyser des documents sur les éléments chimiques : abondance relative, dans l’univers,
Nombre de charge Z. Nombre de nucléons A. dans le soleil, dans la Terre.
Isotopie.
Masse des constituants de l’atome ; masse appro- Réaliser une expérience pour mettre en évidence la conservation d’un élément au cours
chée d’un atome. d’une succession de transformations chimiques.
Répartition des électrons en différentes couches
appelées K, L, M pour les éléments de Z compris Respecter les consignes de sécurité lors des manipulations des produits chimiques.
entre 1 et 18. A
Les règles du duet et de l’octet. Connaître et utiliser le symbole Z X pour donner la structure d’un atome.
Classification périodique des éléments.
Approche historique. Evaluer la masse d’un atome.
Familles chimiques. Dénombrer les électrons de la couche externe.
Molécules, ions monoatomiques. Connaître et utiliser les règles du duet et de l’octet pour prévoir la formation d’une
Représentation de Lewis. Formules développées et molécule ou d’un ion monoatomique.
semi-développées.
Les isomères. Connaître l’histoire de l’élaboration de la classification périodique et sa règle actuelle de
construction :
Les spectres d’émission et d’absorption : numéro atomique et nombre d’électrons de la couche externe.
spectres continus d’origine thermique; spectres de Utiliser la classification périodique.
raies. Savoir les familles des alcalins, des halogènes et des gaz nobles.
Domaines de fréquences.
Radiation monochromatique. Réaliser des expériences pour mettre en évidence les propriétés de quelques éléments
La composition chimique du Soleil. chimiques appartenant à la même famille.
Dispersion de la lumière blanche par un prisme.
Réfraction. Établir les représentations de Lewis de quelques molécules simples.
Lois de Snell-Descartes. Savoir qu’à une formule brute peut correspondre à plusieurs formules développées et
Indice de réfraction d’un milieu transparent. semi-développées.
Relativité du mouvement. Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation.
Référentiel.Trajectoire.
Gravitation universelle. Distinguer un spectre d’émission d’un spectre d’absorption.
L’interaction gravitationnelle entre deux corps.
Enoncé de la loi de la gravitation universelle. Savoir qu’un corps chaud émet un rayonnement continu.
Effet d’une force sur un mouvement.
Influence de la masse du corps. Mettre en œuvre un dispositif expérimental permettant de montrer l’évolution du
spectre continu d’un corps chaud en fonction de la température.
La pesanteur résulte de l’attraction terrestre.
Le principe d’inertie. Savoir qu’une radiation monochromatique est caractérisée par sa longueur d’onde dans
Influence de la valeur de la vitesse et de la direction l’air et dans le vide.
du lancement d’un projectile : conditions de satel-
lisation. Identifier une entité chimique à partir de l’étude de son spectre.

Interpréter le spectre de la lumière émise par une étoile : température de surface et
entité chimique présente dans l’atmosphère de l’étoile.

Connaître la composition chimique du soleil.

Utiliser un prisme pour décomposer la lumière blanche.
Connaître et appliquer les lois de Descartes sur la réfraction.
Réaliser une expérience pour déterminer l’indice de réfraction d’un milieu transparent.
Interpréter qualitativement la dispersion de la lumière blanche par un prisme.
Respecter les consignes de sécurité relatives à l’utilisation du laser.

Savoir que la nature du mouvement observé dépend du référentiel choisi.
Calculer la force d’attraction gravitationnelle qui s’exerce entre deux corps à répartition
sphérique de masse, et représenter cette force.
Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la
direction de son mouvement.
Utiliser des logiciels de simulations et de pointage.
Savoir que la pesanteur résulte de l’attraction terrestre.
Comparer le poids d’un même corps sur la Terre et sur la Lune.
Énoncer et appliquer le principe d’inertie.
Utiliser un logiciel pour observer comment est modifié le mouvement d’un projectile
lorsqu’on modifie la direction du lancement ou la valeur de la vitesse initiale.

PROGRES TECHNIQUES ET AMELIORATION DU QUOTIDIEN

Notions et contenus Compétences attendues

Générateurs idéals ou réels de tension. Distinguer un générateur idéal de tension d’un générateur réel de tension.
Dipôles générateurs linéaires.
Force électromotrice (f.é.m.). Réaliser un montage faisant intervenir des dipôles générateurs linéaires.
Résistance interne.
Tracer et exploiter la caractéristique d’un dipôle générateur linéaire pour déterminer la
f.é.m. E et la résistance interne.

Dipôles récepteurs linéaires ou non linéaires. Connaitre et utiliser la loi d’association en série des dipôles générateurs linéaires.
Conducteurs ohmiques, rhéostat. Connaître et utiliser le schéma électrique équivalent d’un générateur réel de tension.
Diodes (diodes ordinaires, diodes Zener, D.E.L). Distinguer un dipôle récepteur linéaire d’un dipôle récepteur non-linéaire.
Connaître et utiliser les lois d’association des résistances.

Potentiomètre. Utiliser un ohmmètre pour mettre en évidence les lois d’association des résistances.
Diviseur de tension. Montrer l’intérêt pratique des diodes et exploiter leurs caractéristiques.
Utiliser un dipôle en respectant ses limites de fonctionnement
Différence de potentiels, débit des charges et inten- Connaître le rôle d’un diviseur de tension ou d’un potentiomètre.
sité du courant électrique. Réaliser un montage diviseur de tension et un montage potentiométrique.

Tension continue. Savoir que l’intensité du courant électrique i est la quantité Q d’électricité transportée
Loi des nœuds, loi des mailles. Q
pendant la durée Δt :i = ∆t .

Représenter la tension électrique par une flèche

Masse d’un circuit électrique. Connaître la convention récepteur et la convention générateur.
Savoir qu’une tension électrique est une différence de potentiel électrique : UAB = VA -VB.
Tensions variables. Vérifier expérimentalement et appliquer les lois des nœuds et des mailles.
Tensions alternatives. Connaître le symbole de la masse d’un circuit.
Tensions périodiques. Déterminer les caractéristiques d’une tension périodique.

Respecter les consignes de sécurité contre les risques électriques pour les personnes et
les appareils.

Matériaux naturels et synthétiques. Savoir qu’un matériau peut contenir plusieurs espèces chimiques d’origine naturelle ou
synthétique.

Extraction, séparation et identification d’espèces Connaître l’importance de la chimie de synthèse.
chimiques. Savoir que l’on peut synthétiser une espèce chimique identique à une espèce naturelle.
Chromatographie sur couche mince Réaliser une synthèse d’une espèce chimique et proposer une méthode expérimentale
Caractéristiques physiques d’une espèce chimique : pour l’identifier.
aspect, température de fusion, température d’ébulli-
tion, solubilité, densité, masse volumique. Élaborer et mettre en œuvre un protocole d’extraction, de séparation et d’identifica-
tion à partir d’informations fournies.

Histoire de la chimie organique. Réaliser et interpréter une chromatographie sur couche mince.
Les hydrocarbures : matières premières de la chimie Utiliser une ampoule à décanter, un dispositif de filtration, un appareil de chauffage en
organique. respectant les conditions de sécurité.
Les alcanes : un des constituants des hydrocarbures.
Squelette carbonée des alcanes Connaitre l’importance de la chimie organique.
Structure d’une chaîne carbonée saturée. Proposer une méthode expérimentale pour caractériser une substance organique.

Nommer et représenter le nom des alcanes à chaîne carbonée linéaire et ramifiée
contenant au plus dix atomes de carbone.

LA PHYSIQUE ET LA CHIMIE AU SERVICE DU BIEN ETRE DE L’HOMME

Notions et contenus Compétences attendues

Ondes sonores et ultra sonores, ondes lumineuses. Connaître les caractéristiques des ondes sonores, ultrasonores et lumineuses.
Domaines de fréquences. Extraire et exploiter des informations concernant la nature des ondes et leurs fré-
quences en fonction de l’application médicale.
Vitesse de la lumière dans le vide et dans l’air. Connaître une valeur approchée de la vitesse du son dans l’air à la température ordi-
Réfraction et réflexion totale. naire.

Connaître la valeur approchée de la vitesse de la lumière dans le vide ou dans l’air.

Connaître et appliquer les lois de Descartes sur la réfraction et la réflexion totale.

Pratiquer une démarche expérimentale sur la réfraction et la réflexion totale.

Extraction, séparation et identification d’espèces Élaborer et mettre en œuvre un protocole d’extraction, de séparation et d’identifi-
chimiques. cation à partir d’informations fournies.
Chromatographie sur couche mince Réaliser et interpréter une chromatographie sur couche mince.
Caractéristiques physiques d’une espèce chimique : Utiliser une ampoule à décanter, un dispositif de filtration, un appareil de chauffage
aspect, température de fusion, température d’ébullition, en respectant les conditions de sécurité.
solubilité, densité, masse volumique. Savoir qu’une solution peut contenir des molécules ou des ions.
Connaître et exploiter l’expression de la concentration massique ou molaire d’une
Solution : solvant, soluté, dissolution d’une espèce. espèce moléculaire ou ionique dissoute.
Concentrations massique ou molaire. d’une espèce en Élaborer ou mettre en œuvre un protocole de dissolution, de dilution
solution.. Pratiquer une démarche expérimentale pour déterminer
Dilution d’une solution. Facteur de dilution. la concentration molaire d’une espèce (échelle de teintes, méthode par comparai-
son).
La mole : Unité de la quantité de matière Exploiter les indications portées sur une étiquette d’un emballage d’un produit
Constante d’Avogadro, NA. chimique.
Décrire un échantillon de matière à l’échelle macroscopique en introduisant la notion
Masse molaire atomique, ionique et moléculaire M de mole.
(g.mol-1).Volume molaire des gaz. Conaître et utiliser la relation entre la quantité de matière et la constante
d’Avogadro.
Relativité du mouvement Calculer une masse molaire moléculaire ou ionique à partir des masses molaires
Référentiel.Trajectoire. atomiques.
Le centre d’inertie et système d’étude. Déterminer une quantité de matière connaissant la masse ou le volume d’un échan-
Mouvement de translation et de rotation. tillon.
Vitesse d’un point matériel. Prélever une quantité de matière d’une espèce chimique donnée.
Vitesse angulaire. S’informer sur les risques sanitaires et écologiques portant sur les produits
chimiques utilisés et agir de façon responsable.
Effet d’une force sur un mouvement.
Influence de la masse du corps. Savoir que la nature du mouvement observé dépend du référentiel choisi.
Le principe d’inertie. Définir un système d’étude et identifier son centre d’inertie.
Connaître le mouvement de translation et de rotation.
Pression et température d’un gaz. Utiliser des logiciels de simulations et de pointage.
Description d’un gaz à l’échelle microscopique. Déterminer la vitesse moyenne et la vitesse angulaire d’un point matériel.
Agitation thermique. Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la
direction de son mouvement.
Équation d’état des gaz parfaits. Énoncer et appliquer le principe d’inertie.
Les paramètres macroscopiques. Connaitre les variables d’états.
Température absolue. Donner une interprétation microscopique du comportement d’un gaz.
Loi de Boyle-Mariotte. Mesurer une pression.
Interpréter l’origine de la force pressante exercée par un gaz sur une paroi.
Loi du gaz parfait. Décrire le comportement d’un gaz en utilisant les variables d’état nécessaires.
Définir la température absolue.
Pression dans un liquide, influence de la profondeur. Connaître et mettre en œuvre un protocole expérimental concernant la loi de
Température d’un liquide Boyle-Mariotte.
Forces pressantes Connaître et utiliser l’équation d’état PV = nRT qui définit le modèle de comporte-
ment du « gaz parfait ».
Transformation chimique. Savoir que la différence de pression entre deux points d’un liquide dépend de la
Système chimique. Réaction chimique. différence de profondeur.
Équation chimique. Mesurer une température à l’aide d’un thermomètre.
Connaître et utiliser la relation P=F/S.
Bilan de matière. Rechercher, extraire et exploiter des informations relatives à la pression dans les
Notion d’avancement.Avancement maximal. liquides et dans les gaz.
Tableau d’avancement.
Mélange stœchiométrique. Décrire un système chimique.
Réactif limitant et réactif en excès ;
avancement maximal. Savoir ce qu’est une transformation chimique.

Modéliser une transformation chimique par une réaction chimique.
Écrire l’équation d’une réaction chimique avec les nombres stœchiométriques
corrects.

Mettre en œuvre un protocole expérimental concernant une transformation
chimique.

Établir un bilan de matière.

Établir et exploiter un tableau d’avancement.

Pratiquer une démarche expérimentale et utiliser un logiciel adapté pour mettre en
évidence l’influence des quantités de matière des réactifs sur l’avancement maximal.

SOMMAIRE Thème n°1 : Exploration de l’univers...............................................................................................................14
Notions vues au collège...........................................................................................................................................16
Chapitre 1. Modèle de l’atome..............................................................................................................................17
Activités
1.De Thomson à Chadwick...................................................................................................................................... 18
2.Conservation de l’élément cuivre........................................................................................................................ 19
3.Analyse des éléments dans l’Univers..................................................................................................................21
Cours ...................................................................................................................................................................... 23
Essentiel du chapitre.............................................................................................................................................. 25
Exercices.................................................................................................................................................................. 26

Chapitre 2. De l’atome aux édifices chimiques............................................................................................... 29
Activités
1.Configuration électronique................................................................................................................................... 30.
2.Formule de Lewis.................................................................................................................................................. 31
3.Modèle moléculaire.............................................................................................................................................. 32
4.Notion d’isomérie................................................................................................................................................. 33
Cours......................................................................................................................................................................... 34
Essentiel de chapitre.............................................................................................................................................. 38

Exercices.................................................................................................................................................................. 39

Chapitre 3.De l’infiniment petit à l’infiniment grand....................................................................................... 43
Activités
1.Utilisation d’un outil pour décrire l’Univers : les puissances de 10................................................................. 44

2.Détermination de la taille d’une molécule : méthode de Franklin.................................................................. 45

3.Univers et lumière................................................................................................................................................ 46

4.Calcul d’une distance par la méthode de parallaxe...........................................................................................47

Cours ...................................................................................................................................................................... 48

Essentiel de chapitre.............................................................................................................................................. 50

Exercices.................................................................................................................................................................. 51

Chapitre 4.Classification périodique des éléments chimiques...................................................................... 55
Activités

1.Histoire de la classification périodique des éléments chimique...................................................................... 56

2.Réactions entre I2, Br2, et CI2 avec le cyclohexane............................................................................................ 57
3.Principe de la classification périodique des éléments chimiques................................................................... 58

Cours ...................................................................................................................................................................... 59

Essentiel de chapitre.............................................................................................................................................. 61

Exercices.................................................................................................................................................................. 62

Chapitre 5. Gravitation universelle................................................................................................................... 67
Activités
1.Choix d’un référentiel.......................................................................................................................................... 68

2.Loi de gravitation universelle.............................................................................................................................. 68

3.Le Poids : une situation particulière de l’attraction universelle........................................................................ 69 SOMMAIRE
4.Lancement d’un satellite en utilisant un logiciel de simulations et de pointage............................................. 69
Cours..........................................................................................................................................................................71
Essentiel du chapitre............................................................................................................................................... 73
Exercices....................................................................................................................................................................74
Chapitre 6. Spectres de la lumière.................................................................................................................... 81
Activités
1.Décomposition de la lumière blanche................................................................................................................ 82
2.Evolution du spectre avec la température.......................................................................................................... 83
3.Application à l’astrophysique............................................................................................................................... 83
Cours......................................................................................................................................................................... 86
Essentiel du chapitre............................................................................................................................................... 90
Exercices................................................................................................................................................................... 91

Situation problème.................................................................................................................................................. 95

Thème n°2 : Progrès techniques et amélioration du quotidien.......................................................... 98

Notions vues au collège......................................................................................................................................... 100

Chapitre7. Extraction, séparation et identification des espèces chimiques................................................ 101
Activités :
1.Quelques techniques d’extractions.................................................................................................................... 102
2.Extraction de l’eugénol........................................................................................................................................ 102
3.Identification de quelques espèces chimiques par des tests simples............................................................ 103
4.chromatographie sur couche mince C.C.M........................................................................................................ 105
Cours........................................................................................................................................................................ 106
Essentiel du chapitre.............................................................................................................................................. 112
Exercices.................................................................................................................................................................. 113

Chapitre 8. Matériaux naturels et synthétiques............................................................................................. 117
Activités :
1.Matériaux naturels et synthétiques.................................................................................................................... 118
2.Nécessité d’une synthèse................................................................................................................................... 119
3.Synthèse de l’acétate de benzyle....................................................................................................................... 120
4.Synthèse d’un matériau léger biodégradable : l’acide polylactique................................................................ 122
Cours........................................................................................................................................................................ 123
Essentiel du chapitre.............................................................................................................................................. 126
Exercices.................................................................................................................................................................. 127

Chapitre 9. Introduction à la chimie organique.............................................................................................. 131
Activités :
1.Développement de la chimie organique............................................................................................................ 132
2.Importance de la chimie organique................................................................................................................... 133
3.La pyrolyse : réaction caractéristique du carbone............................................................................................ 134
4.Nom et représentation des alcanes................................................................................................................... 134
Cours........................................................................................................................................................................ 136
Essentiel du chapitre.............................................................................................................................................. 139

SOMMAIRE Exercices................................................................................................................................................................... 140
Chapitre 10. Intensité et Tension électrique.................................................................................................... 143
Activités :
1.Courant électrique................................................................................................................................................ 144
2.Tension électrique................................................................................................................................................ 145
3.Mesures des intensités et des tensions électriques.......................................................................................... 146
4.Utilisation d’un oscilloscope.................................................................................................................................147
Cours......................................................................................................................................................................... 148
Essentiel du chapitre............................................................................................................................................... 153
Exercices................................................................................................................................................................... 154
Chapitre 11. Composants électroniques usuels.............................................................................................. 159
Activités :
1.Association des conducteurs ohmiques............................................................................................................. 160
2.Diviseur de tension et Potentiomètre...................................................................................................................161
3.Utilisation d’une diode ordinaire......................................................................................................................... 162
4.Rôle d’une diode Zener........................................................................................................................................ 163
Cours......................................................................................................................................................................... 164
Essentiel du chapitre............................................................................................................................................... 168
Exercices................................................................................................................................................................... 169
Chapitre 12. Générateurs de tension continue................................................................................................ 173
Activités :
1.Caractéristique d’un générateur de tension........................................................................................................174
2 .Photopile...............................................................................................................................................................176
Cours..........................................................................................................................................................................177
Essentiel du chapitre................................................................................................................................................179
Exercices................................................................................................................................................................... 180
Situation problème.................................................................................................................................................. 185

Thème n°3 : La physique et la chimie au service du bien être de l’Homme ...................................... 188
Notions vues au collège.......................................................................................................................................... 190
Chapitre 13. Ondes en médecine...................................................................................................................... 191
Activités
1.Exploration du corps humain à l’aide d’ondes................................................................................................... 192
2.Réfraction et réflexion totale de la lumière......................................................................................................... 193
3. Fibre optique........................................................................................................................................................ 194
Cours......................................................................................................................................................................... 195
Essentiel du chapitre............................................................................................................................................... 199
Exercices................................................................................................................................................................... 200
Chap. 14. Mouvements et forces...................................................................................................................... 205
Activités :
1.Relativité du mouvement..................................................................................................................................... 206
2.Analyse d’un mouvement à l’aide d’un logiciel de pointage............................................................................. 206
3.Effet d’une force sur un corps..............................................................................................................................207
4.Principe d’inertie................................................................................................................................................... 208
Cours..........................................................................................................................................................................209
Essentiel dU chapitre................................................................................................................................................212
Exercices.................................................................................................................................................................... 213

Chapitre 15. Pression..........................................................................................................................................219 SOMMAIRE
Activités :
1.Force pressante et pression.................................................................................................................................220
2.Plongée sous-marine.............................................................................................................................................221
3.Solubilité des gaz dans les liquides.....................................................................................................................222
Cours..........................................................................................................................................................................223
Essentiel dU chapitre................................................................................................................................................227
Exercices.................................................................................................................................................................... 228
Chapitre 16. Quantité de matière : La mole......................................................................................................231
Activités :
1.Comptage des petits objets..................................................................................................................................232
2.Quantité de matière..............................................................................................................................................233
3.Prélèvement d’une quantité de matière d’une espèce solide...........................................................................234
4.Prélèvement d’une quantité de matière d’une espèce liquide..........................................................................234
Cours..........................................................................................................................................................................236
Essentiel du chapitre................................................................................................................................................239
Exercices.................................................................................................................................................................... 240
Chapitre 17. Lois des gaz parfaits......................................................................................................................245

Activités :
1.Description de l’état d’un gaz...............................................................................................................................246
2.Variation de la pression d’un gaz en fonction de son volume ...........................................................................246
3.Diffusion d’un gaz colore...................................................................................................................................... 247
Cours.......................................................................................................................................................................... 248
Essentiel du chapitre................................................................................................................................................252
Exercices.................................................................................................................................................................... 253
Chapitre 18. Solutions aqueuses....................................................................................................................... 257

Activités :
1.Analyse de sang.....................................................................................................................................................258
2.Préparation d’une solution de glucose par dissolution......................................................................................259
3.Préparation d’une solution de permanganate de potassium par dilution.........................................................260
4.Préparation d’une échelle de teinte.....................................................................................................................260
Cours..........................................................................................................................................................................262
Essentiel du chapitre................................................................................................................................................266
Exercices.................................................................................................................................................................... 267
Chapitre 19. Transformation chimiques et bilan de matière...........................................................................273

Activités :
1.Description de l’évolution d’un système chimique.............................................................................................. 274
2.Influence des quantités de matière des réactifs sur l’état final de la réaction.................................................275
Cours.......................................................................................................................................................................... 276
Essentiel du chapitre................................................................................................................................................280
Exercices.................................................................................................................................................................... 281
Situation problèmes .................................................................................................................................................285
Fiches méthodes.............................................................................................................................................. 288-302
correction des exercices ..................................................................................................................................303-311

DECOUVRIR ET UTILISER LE MANUEL

Les 3 thèmes du programme  Chaque thème est introduit par une double page qui présente la
Thème 1 problématique générale.

 À chaque thème sont associés une couleur et un logo.

Thème 2

Thème 3

 Un rappel des acquis du collège. Structure d’un chapitre
Ouverture de chapitre

Activité

 Des activités « documentaires» qui mettent en oeuvre des notions  Un texte intoductif appuyé par une photo et sa légende.
fondamentales du chapitre. Une liste de compétences attendues.
 les activités « expérimentales » prennent une part très importante
dans cet ouvrage sous forme travaux pratiques.(TP).

Cours  Le cours est illustré d’exemples et d’applications simples.
Exercices  Les notions fondamentales sont clairement définies dans le cours
 Le cours se termine par un résumé dans «l’essentiel du cours»

Situation problème

Les exercices sont organisés en trois rubriques «connaître» « appliquer» La situation problème est un exercice qui permet à l’élève de
mobiliser toutes les connaissances acquises dans ce thème.
et «analyser» . Chaque bulle rouge ( 6 ) correspond à un exercice

corrigé.

Fiches méthodes

Des fiches méthodes pratiques et méthodologiques qui sont donné à la fin du livre.

EXPLORATION DE L’UNIVERS

A nos jours, les scientifiques peuvent identifier tous les types d’atomes de
l’univers. La lumière est leur source principale pour déterminer la com-
position en entités chimiques et la température des étoiles lointaines. Ils
envoient des sondes pour étudier la composition des planètes de notre
système solaire en tenant compte de la gravitation.

SOMMAIRE

Chapitre 1. Modèle de l’atome......................................................................17
Chapitre 2. De l’atome aux édifices chimiques...........................................29
Chapitre 3. De l’infiniment petit à l’infiniment grand...............................43
Chapitre 4. Classification périodiques des élements.................................. 55
Chapitre 5. Gravitation universelle............................................................... 67
Chapitre 6. Spectres de la lumière.................................................................81

Les notions vues au collège

 L’atome
 U n atome est constitué d’un noyau chargé positivement,

entouré d’électrons chargés négativement.
 L e rayon du noyau de l’atome est environ 100.000 fois

plus petit que celui de l’atome.
 Un atome est électriquement neutre.

 Les ions
Il existe deux types d’ions :
 Les ions positifs appelés cations, proviennent d’un atome ou d’un groupement d’atomes ayant

perdu un ou plusieurs électrons.
 L es ions négatifs appelés anions proviennent d’un atome

ou d’un groupement d’atomes ayant perdu.
 Des tests simples permettent d’identifier certains ions

tels que les ions chlorure Cl-, cuivre II Cu2+, fer II Fe2+,
aluminium Al3+.

 La lumière
 Une source de lumière est un objet lumineux.
 L a lumière blanche et composée d’une infinité de

lumières colorées.
 D ans un milieu homogène et transparent la lumière se

propage en ligne droite.

 Les forces
 Une force peut mettre un objet en mouvement ou modifier son

mouvement ou le déformer.
 On représente une force par un segment fléché.
 L e poids d’un corps est la force attractive exercée par la Terre sur ce

corps.
 Le poids s’exerce selon la verticale du lieu, vers le bas.
 La valeur du poids d’un objet est égale au produit de la masse de cet

objet par l’intensité de la pesanteur : P = m x g avec P en newton (N),
m en kilogramme (kg) et g = 10 N/kg (à la surface de la Terre).

Modèle de l’atome 1CHAPITRE

En sciences, un modèle est une représentation simplifiée d’une réalité

complexe. Nous avons étudié au collège un modèle de l’atome. Nous allons

l’approfondir pour nous permettre d’expliquer la composition d’un atome.

)) Quelle est la structure d’un atome ?

Les atomes de Nickel vus par un microscope à effet tunnel

Compétences attendues

 Savoir qu’un élément est caractérisé par son numéro atomique

Connaitre et utiliser le symbole A X pour donner la structure d’un atome.
Z

 A nalyser des documents sur les éléments : abondance relative dans la Terre, dans le Soleil et

dans l’Univers.
 Réaliser une expérience permettant de mettre en évidence la conservation d’un élément au

cours d’une succession de transformations chimiques.
 Evaluer la masse d’un atome

Activités

1 De Thomson à Chadwick

Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et des électrons chargés négativement qui
gravitent autour de celui-ci.

Quels sont les faits expérimentaux qui ont fait évoluer la structure de l’atome vers le
modèle actuel ?

Thomson a découvert l’électron, Rutherford a montré que la matière est
essentiellement constituée de vide et Bohr a permis d’expliquer pourquoi les
électrons du modèle de Rutherford ne s’écrasaient pas sur le noyau. Lorsque
Rutherford met en évidence l’existence du proton, un nouveau problème se
pose : Comment les protons chargés positivement surmontent-ils la force de
répulsion électrique qui devrait normalement les éloigner les uns des autres
et provoquer l’éclatement du noyau ?

De plus, des physiciens avaient découvert en 1919, un rayon très pénétrant
en bombardant le béryllium avec des particules alpha. Toutefois, ce rayon
était impossible à détecter directement.

En 1932, le physicien anglais James Chadwick, élève de Rutherford, prouve

que ces rayons pénétrants non identifiés par les physiciens contiennent une

particule dépourvue de charge électrique et dont la masse est égale à celle

du proton. Il la nomme neutron. Pour rendre compte de l’existence des Doc.1. James Chadwick (1891-1974)

neutrons, Chadwick améliore le modèle de l’atome jusque là en cours. Il

explique que ce sont les neutrons qui par leur présence dans le noyau l’empêchent d’éclater.

Le modèle atomique de Rutherford modifié par Bohr et amélioré par Chadwick se nomme le modèle atomique
de Rutherford-Bohr. Il est encore en vigueur aujourd’hui et on l’appelle aussi modèle atomique actuel
simplifié. Il présente l’atome comme une unité divisible comportant des particules positives (protons) et des
particules neutres (neutrons), concentrées dans un noyau minuscule et dense, et des particules négatives
(électrons) (de masse 2000 fois inferieure de celle du proton sachant que la masse d’un électron est égale
au rapport de la masse d’un proton sur 2000) évoluant sur des couches électroniques.

La masse du proton est égale 1,673x10-27 kg. Le noyau d’un atome en comporte Z. La masse du neutron est
égale 1,675x10-27 kg. Le nombre total de particules dans le noyau (protons et neutrons) est noté A. Le noyau
est donc constitué de protons et de neutrons selon une loi bien simple : il faut autant de protons qu’il y a
d’électrons en orbite autour du noyau pour que la charge électrique de l’atome soit nulle.

www.mendeleïev.cyberscol.qc.ca

Document : L’existence de neutron

Exploitation
1. Comment les chimistes ont-ils établi une telle structure et quel est son intérêt ?
2. De quoi est composé un atome ?
3. Que contient son noyau ?
4. Comment est appelée la particule non chargée contenue dans le noyau ?
5. Que peut-on dire des masses du proton et du neutron ?
6. Calculer la masse d’un électron.
7. Pourquoi dit-on que la masse de l’atome est concentrée dans son noyau ?

18 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

Activités

2 Conservation de l’élément cuivre

Dans l’Univers, il y a des éléments qui se conservent après avoir subit plusieurs
transformations. On peut, par exemple, mettre en évidence la conservation de l’élément cuivre au
cours de quelques transformations chimique dans un laboratoire d’un lycée.
Sous quelle forme (atome, ion ou corps composé) se trouve l’élément cuivre au cours de
ces transformations ?

Expérience 1 : Action de l’acide nitrique sur le cuivre

Matériel et produits Doc.2.Tournure de cuivre.

1 tube à essai sur un support, 1 pipette graduée de 5,0 mL munie d’un
pipetteur, 1 bécher de 50 mL, 1 pince en bois.

0,30 g de cuivre métal en tournure, 1 solution d’acide nitrique à 5,0 mol.L-1.

Remarques :
On donne le nom d’élément chimique à l’ensemble des entités
chimiques (atomes, ions, etc.) ayant le même numéro atomique Z.

Cette expérience dégage un gaz toxique, elle doit être réalisée par le
professeur et sous la hotte.

Protocole
1.Introduisons 0,30 g du cuivre métal dans le tube à essai.
2.Versons une petite quantité de la solution d’acide nitrique dans le bécher.
3.A l’aide de la pipette graduée de 5,0 mL munie d’un pipetteur, prélevons 2,0 mL de la solution d’acide nitrique
et l’introduisons dans le tube à essai contenant le cuivre sous la hotte.

Exploitation
1.Quel est l’ion responsable de la couleur bleue dans le tube à essai ?
2.Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées .

Sous l’action de

Cu(s)

Élément chimique Cu Élément chimique Cu

Expérience 2 : Formation de l’hydroxyde de cuivre (II)

Matériel et produits
1 tube à essai sur un support, 1 pipette jaugée de 10,0 mL munie d’un pipetteur, 1 éprouvette graduée de 25
mL, 1 bécher de 50 mL, 1 bécher de 100 mL, 1 bécher de 250 mL, 1 filtre à papier, 1 entonnoir, 1 spatule.

1 solution de sulfate de cuivre à C = 0,50 mol.L-1, 1 solution d’hydroxyde de sodium à C =1,0 mol. L-1 .

Chapitre 1 : Modèle de l’atome 19

Activités

Protocole
1.Dans le bécher de 100 mL, introduire 10,0 mL de la solution de sulfate de cuivre.
2.Ajouter environ 20 mL de la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium.
3.Filtrer le précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu.
4.Recueillir le précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu dans le tube à essai.

Exploitation Doc.3. Formation du précipité Cu(HO)2

Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Sous l‘action de Cu(HO)2
Hydroxyde de cuivre II

Élément chimique Cu Élément chimique Cu

Expérience 3 : Chauffage de l’hydroxyde de cuivre (II)

Matériel et produits Doc.4. Filtration du précipité d’oxyde de cuivre

1 bec Bunsen, 1 pince en bois, 1 spatule, 1 coupelle en verre.

Précipité d’hydroxyde de cuivre II obtenu dans le tube à essai
(Expérience 2)

Protocole

1.Introduire le précipité recueilli dans un tube à essai.
2.Allumer le bec Bunsen en respectant les consignes de sécurité.
3.Chauffer, avec précaution, le tube à essai contenant le précipité. Cesser
de chauffer dès que le précipité devient noir. Le solide noir obtenu est
appelé oxyde de cuivre II.

Exploitation

Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules
chimiques impliquées.

Sous l‘action de CuO Doc.5. Chauffage de l’oxyde de cuivre
Élément chimique Cu oxyde de cuivre II

Élément chimique Cu

Expérience 4 : Action du carbone sur l’oxyde de cuivre

Matériel et produits
1 tube à essai, 1 bec Bunsen, 1 pince en bois, 1 spatule, 1 feuille blanche carré, 1 entonnoir.
Oxyde de cuivre II obtenu à l’Expérience 3, poudre de carbone.

20 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

Activités

Protocole
1.Plier la feuille blanche suivant ces diagonales.
2.Mélanger sans perte, sur la feuille blanche, une spatule de poudre d’oxyde de cuivre (II) et environ la moitié
d’une spatule de poudre de carbone.
3.A l’aide de l’entonnoir, placer le mélange dans un tube à essai.
4.Chauffer fortement le tube à essai jusqu’à l’apparition de la couleur rouge orangé. On retrouve un métal.
Exploitation
Recopier et compléter le schéma suivant en utilisant les formules chimiques impliquées.

Sous l’action de

Élement chimique Cu Élement chimique Cu

Conclusion générale
Représenter l’ensemble des transformations précédentes en complétant le cycle suivant.

Cuivre (Cu) Expérience 1

Expérience 4 Expérience 2

Expérience 3

3 Analyse des éléments dans l’Univers

Chaque substance présente dans l’Univers serait constituée d’un ou de plusieurs éléments et en
quantité variable..
Comment peut- on expliquer leur abondance ?

Le grand chambardement Doc.6. LE Big Bang

Tout aurait commencé par une gigantesque explosion, environ quinze milliards
d’années plus tôt. Un grand boum, selon la théorie du « Big Bang «

La naissance de l’Univers, l’instant zéro, reste un mystère. Mais quelques
fractions de seconde après, 10-43 s, le nouveau-né est chétif, moins gros que
ça «•», mais a un sacré appétit d’expansion ! Quelque peu fiévreux aussi, des
milliards de milliards de milliards de degrés. Enfin une énergie considérable, déjà
mise à profit pour fabriquer des particules. (…).

Les premiers noyaux vont se former à partir des neutrons et des protons; d’abord

Chapitre 1 : Modèle de l’atome 21

Activités

d’Hydrogène 1 H puis de Deutérium 2 H et d’Hélium 4 He.
1 1 2

Après 300 000 ans, environ 3000 degrés. Les électrons

s’associent aux noyaux pour former les premiers atomes : atomes

d’Hydrogène, atomes d’Hélium. C’est à cette époque que l’Hnivers

devient transparent : Cela constitue donc la limite extrême

d’observabilité.

Ainsi, durant son évolution, une étoile consomme d’abord

l’Hydrogène pour le transformer en Hélium.

A des températures plus élevées, la fusion de l’Hélium donne de

l’Oxygène et du Carbone qui, à leur tour, seront utilisés pour donner

de nouveaux éléments : Sodium, Néon. Phosphore, Silicium ... de Doc.7. Notre galaxie : la voie lactée
jusqu’au Fer, le noyau le plus stable et point final de ce processus

fusion.

Par conséquent, en vieillissant, une étoile s’appauvrit de plus en plus en Hydrogène et s’enrichit en éléments
lourds.

Doc.8. La planète Terre. La Terre !

Puis 10 milliards d’années après le Big Bang, notre soleil et son
système planétaire se sont constitués ; il y a donc 5 milliards
d’années. Un nuage de gaz qui s’effondre sous l’effet de la
gravitation, en son centre notre Soleil, tout autour des grains de
poussière qui s’agglutinent et vont donner naissance aux planètes
dont la Terre. (…).

 la croûte terrestre, d’épaisseur moyenne 7 km sous les océans,
35 km sous les continents, composée deSilice et de Silicate double
d’Aluminium et de métal tel que le Sodium, Potassium, Calcium,
Magnésium…

 le manteau (2900 km) composé de Silicates ferro-magnésiens

 le noyau (3500 km) composé de Nickel, Fer et en quantité
moindre, de Soufre et d’Oxygène. Le mouvement du Fer liquide
dans le noyau serait à l’origine du champ magnétique terrestre,
responsable de l’orientation des boussoles. (…).

D’après Bibliographie :
Sciences et Avenir hors série n°62

Sciences et Vie Junior n°71

Document : Abondance des éléments dans l’Univers

Exploitation 
1. E noncer les premiers éléments présents dans l’Univers puis les regrouper dans un tableau en précisant leur

nom et numéro atomique.
2. D onner à partir du texte les deux éléments les plus abondants dans l’univers et les éléments les plus

abondants dans la Terre ?
3. Comment peut-on expliquer l’abondance de ces éléments au niveau d’une étoile .

22 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

Cours

1 Constituants de l’atome

Un atome est constitué d’un noyau chargé positivement et d’un cortège
électronique chargé négativement. Un atome est une entité électriquement
neutre ; il possède donc autant de charges positives que de charges négatives.

1.1. Le noyau et ses constituants Doc.9. Le modèle de l'atome

Les noyaux sont constitués de particules appelées nucléons qui sont :
 Les protons chargés positivement ;
 L es neutrons qui, comme leur nom l’indique, ne portent pas de charge

électrique.

1.2. Les électrons, la charge élémentaire

Dans un atome, il y’ a autant d’électrons que de protons. Les électrons sont

chargés négativement. Leur charge électrique est l’opposée de celle des
protons. La valeur absolue de la charge d’un électron est notée e. Elle est
appelée charge élémentaire. Elle s’exprime en Coulomb (C). e = 1,60 x 10-19 C.

Constituants Electron Proton Neutron
1,60. 10-19 0
Charge électrique (C) -1,60. 10-19 Doc.11.Charles-Augustin
Coulomb, né le 14 juin 1736
Doc.10.Charges des particules. élémentaires. à Angoulême, mort le 23
août 1806 à Paris, est un
Exemple : l’atome de carbone possède 6 protons dans son noyau ; il a donc 6 officier, ingénieur et physicien
électrons. français.

1.3. Notation symbolique d’un noyau

 Le nombre de proton d’un noyau est appelé son numéro atomique. Il est noté Z.

 L e nombre total de nucléons (protons et neutrons) est noté A. Le nombre de neutrons N d’un noyau est :
N = A – Z.

Les nombres A et Z suffisent à caractériser parfaitement un noyau : un noyau est noté A X . Où X est le
symbole de l’élément considéré, A le nombre de nucléon et Z le nombre de proton. Z

Exemple : 14 N représente un noyau constitué de 14 nucléons dont 7 protons : Z = 7 et A = 14.
7

1.4. Masse d’un atome

Les masses du neutron mn et du proton mp sont très proches. Elles sont supérieures à celle de l’électron me- .
La masse de l’atome matome contenant A nucléons est environ égale à matome = A x mnucléons

Exemple : Calculons la masse de l’atome d’azote 14 N :
7

m = Z.mp + (A - Z).mn + z me-.
Comme mp = mn = mnucléons = 1,67. 10-27kg et la masse des électrons est négligéable. La masse approchée
matome de l’atome peut être égale à : matome = A x mp (avec mn et mp sont respectivement la masse d’un neutron
et la masse d’un proton).

matome ( 14 N ) = 14 x 1,67 x 10-27 = 23,4 x 10-27 kg
7

Constituants Electron Proton Neutron

Masse des particules en kg 9,11x10-31 1,67x10-27 1,67 x 10-27 Doc.12. Masses des particules élémentaires.

Chapitre 1 : Modèle de l’atome 23

Cours

2 Éléments chimiques Nom de Symbole Numéro
l’élément atomique Z
2.1. Définition Hydrogène H 1
Sodium Na 11
Toutes les entités possédant le même numéro atomique définissent Bore B 5
un élément chimique. Chacun d’eux est représenté par un symbole Azote N 7
qui permet de l’identifier. En revanche, les atomes d'un même Oxygène O 8
élément chimique peuvent avoir des nombres différents de neutrons Aluminium Al 13
dans leur noyau, ce qu'on appelle des isotopes. Chlore Cl 17

 Ils (les isotopes) ont le même numéro atomique Z et Doc.13. Symbole et numéro atomique de
correspondent donc au même élément. quelques éléments chimiques usuels
 Ils possèdent le même cortège électronique et ont les mêmes
propriétés chimiques.
 Ils diffèrent par le nombre A de leur nucléons.

Exemple : 14
12 13 6
6 C; 6 C et C sont des isotopes de carbone. On remarque que

Z = 6 ne varie pas mais le nombre de neutrons varie respectivement N = 6 ; N = 7 et N- = 8.

2.2. Conservation de l’élément cuivre au cours des transformations chimiques

Au cours des réactions chimiques, les atomes des éléments se conservent. On les retrouve, combinés
différemment, dans les composés obtenus. Aucun élément ne peut apparaitre ou disparaitre dans une réaction
chimique.

Cuivre (Cu) Expérience 1 Cu2+

Expérience 4 Expérience 2

CuO Expérience 3 Cu(OH)2

Doc.14. Cycle de conservation du cuivre. a b
Doc.15. corps composé (a), corps simple(b).
2.3. Corps simple et corps composé
Un corps simple est une entité chimique qui ne contient
qu’un seul élément
Un corps composé est une entité chimique qui contient
plusieurs éléments.

Exemples :
Le solide CuO est un corps composé. (Doc.15.a)

Le cuivre solide, Cu est un corps simple ; (Doc.15.b)

24 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

Cours

L’essentiel du cours

Constitution de l’atome

 Les atomes sont constitués d’un noyau central, autour duquel des électrons sont en mouvement.

 Le noyau est constitué de nucléons : les protons et les neutrons. A

X Pour représenter symboliquement l’atome d’un élément X, on écrit Z

Numéro Nombre de nucléons A X symbole de l’atome
atomique : nombre de proton Z

Masses et charges électriques des constituants de l’atome

Toute charge électrique peut-être exprimée en fonction de la charge élémentaire e, égale à environ
1,60.10-19C.

Constituants Electron Proton Neutron
Charge électrique -1,60. 10-19 C 1,60. 10-19 C 0C
Masse des particules en kg 9,11. 10-31 1,67. 10-27 1,67 x 10-27

 L’atome isolé est électriquement neutre.

 La masse approchée de l’atome est : matome = A x mp
Les éléments chimiques

 Un élément chimique est l’ensemble des atomes dont les noyaux possèdent le même nombre de protons.

 Un élément est caractérisé par son numéro atomique Z et par son symbole

 Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques.

Les isotopes

 Des atomes ayant le même numéro atomique Z mais de nombre de nucléon A différents sont appelés
isotopes .

Chapitre 1 : Modèle de l’atome 25

Exercices

Connaître 5 Masse d’un atome :

1 Recopier et compléter le tableau suivant : Choisir les bonnes réponses parmi les propositions en
gras
Nom symbole Nombre Nombre Nombres
usuel d’électrons de de 1.La masse d’un proton est pratiquement égale à la
Azote protons neutrons masse d’un électron/ d’un neutron.
13 C 8 8 2.La masse d’un électron est environ 2000 fois plus
6 grande/ égale à/ 2000 fois plus petite que la masse
d’un nucléon.
11H 1 3.La masse d’un noyau d’un atome est très
7 supérieure/ pratiquement égale/ très inferieure à
18 O celle de l’atome.
8 4.La masse d’un nucléon vaut environ
1,67.10 27 g / 1,67.10 -27 kg
S.... 16 16
17 18 6 Charge d’un noyau
16

Cl....

....

2 Quelques propiétés Le noyau de Sodium a pour symbole 23 Na.
11
1.Citez les 3 particules pouvant composer un
atome, en donnant aussi leur charge ainsi que leur 1.Que représente les chiffres 11 et 23.
positionnement.
2.Qu’appelle-t-on isotopes ? 2.Calculer la charge des protons du noyau.
3.Qu’est-ce qui caractérise un élément chimique ?
Pourquoi ? 3.En déduire la charge du noyau de l’atome de
4.Quel est le nom de l’élément suivant symbolisé par Sodium.
« Li »? Quel est le symbole du Chlore ?
e=1,60.10-19C
3 Vrai ou faux
appliquer

7 Composition d’un atome

Réponds par vrai ou faux, puis corrige l’affirmation On considère un
fausse:
atome dont le noyau

1.L’élément chimique est caractérisé par le numéro est caractérisé par le
atomique . 12
symbole suivant: 6 C.

2.Les atomes dont les noyaux sont représentés par 1.Déterminer, la
14 composition du noyau de
14 X et 7 X appartiennent au même élément chimique . cet atome .
6

3.On appelle des isotopes des éléments possédant 2.En déduire le nombre
le même numéro atomique mais des nombres de d’électrons gravitant autour du noyau de cet atome.

nucléons différents.

4.Les atomes dont les noyaux sont caractérisés par 8 Notation symbolique d’un noyau atomique
le couple ( Z,A) suivant (29,63) et (29,65) sont des
Le noyau atomique du soufre, noté S, est constitué de
isotopes. 32 nucléons et de 16 protons.

5.L’élément cuivre a pour de symbole CU. 1.Donner sa notation symbolique.
2.Quel est le nombre de neutrons contenus dans ce
4 Entité chimique noyau ?
3.Calculer la masse d’un atome de soufre sachant
Parmi la liste suivante, regrouper les entités chimiques que la masse d’un proton est : mp = 1,67 x 10 -27 kg
appartenant au même élément chimique :

12542X ; 12540X ; 123 X ; 124 X ; 129 X ; 115 X.
52 54 54 50

26 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

Exercices

9 L’atome de Zinc 2.Quel est son nombre de neutrons ?
3.Donner la représentation symbolique du noyau de
Un atome isolé de zinc est composé de 32 électrons et l’atome d’or.
65 nucléons. 4.Calculer la masse approchée de l’atome d’or.
1.Quel est le numéro atomique Z de cet atome ?
2.Donner sa composition atomique. En déduire sa Données : m(proton) = m(neutron) = 1,67 x 10-27 kg
masse. et m(électron) = 9,11 x 10-31 kg e = 1;60 x 10-19 C

Donnée : la masse d’un proton est : 14 Les atomes de phosphore et de bismuth
mp = 1,67.10- 27 kg.

10 Composition d’un atome

On considère les atomes et les ions suivants :

 Atome : 7 Li
3

 Ion Al3+ : formé à partir de l’atome 27 Al Le numéro atomique de l’atome de bismuth est
13 Z = 83.

 Ion S2– : formé à partir de l’atome 32 S 1.Cet atome comporte 209 nucléons, donner sa
16 représentation symbolique. Le symbole chimique de
l’atome de bismuth est Bi.
Pour chacun d’eux donner la composition du noyau et 2.Calculer la masse approchée de l’atome de bismuth.
le nombre d’électrons qui gravitent autour du noyau 3.L’atome de phosphore possède 15 protons.
Il possède également 16 neutrons. Donner la
11 Isotopes représentation symbolique de cet atome, en sachant
que son symbole chimique est P.
Soit les noyaux caractérisés par les couples de valeur 4.Calculer la masse approchée de l’atome de
(Z ; A) suivants : phosphore.

(7;14) (14;28) (27;59) (13;27) (14;29) (7;15) Données : mn = mp = 1,67 x 10-27 kg .
1.Un élément chimique est-il caractérisé par la valeur
de Z ou par celle de A?
2.En déduire le nombre d’éléments chimiques
représentés.

3.Identifiez les isotopes. 15 Composition de l’atome H et des ions Mg2+ et Cl-
12 L’atome d’argent
1.L’atome d’hydrogène est représenté par le symbole
Un atome d’argent, de symbole Ag, possède 108 1 H donner sa composition
nucléons et 45 électrons. 1

1.Quel est son numéro atomique Z ? 2.Même question pour les ions magnésium Mg2+ et
2.Quel est son nombre de neutrons ? chlorure Cl- dont les atomes ont les symboles suivants
3.Donner la représentation symbolique du noyau de 24 35
l’atome d’argent. : 12 Mg et 17 Cl.
4.Calculer la masse approchée de l’atome d’argent.
3.Que valent les charges des électrons, des neutrons
et des protons ?

4.Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Données : m(proton) = m(neutron) = 1,67 x 10-27 kg et analyser
m(électron) = 9,11 x 10-31 kg; e = 1,60 x 10-19 C
16 Pourcentage en atomes
13 L’atome d’or
La molécule (assemblage d’atomes) de luciférine à
Un atome d’or, de symbole Au, possède 197 nucléons
et 79 électrons. pour formule C22H27ON7 corps pur simple ou
1.La luciférine est-elle un
1.Quel est son numéro atomique Z ?
composé ?

Chapitre 1 : Modèle de l’atome 27

Exercices

2.De quels éléments chimiques est-elle composée ? nucléaire forte. Le nuage électronique est stratifié
Combien d’atomes de chaque élément renferme la en niveaux d’énergie quantifiés autour du noyau
molécule ? définissant des couches et des sous-couches
3.Calculer le pourcentage en nombre d’atomes de électroniques ; les nucléons se répartissent
chaque élément de la luciférine. également en couches nucléaires, bien qu’un
modèle approché assez commode popularise la
17 Réaction de précipitation structure nucléaire d’après le modèle de la goutte
liquide.
1.Qu’est-ce qu’une réaction de précipitation?
2.Que se conserve t-il au cours d’une réaction Plusieurs atomes peuvent établir des liaisons
chimique ? chimiques entre eux grâce à leurs électrons, et,
3.Equilibrer les équations chimiques correspondant à d’une manière générale, les propriétés chimiques
la formation de précipités (le composé solide obtenu des atomes sont déterminées par leur configuration
est électriquement neutre). électronique, laquelle découle du nombre de
Ca2+ + 2 HO-  ......... protons de leur noyau.

Ba2++ PO43- ......... D’après http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome

Mg2+ + 2 HO-  ......... 1.D’après le texte, que peut-on dire de la répartition
des particules au sein de l’atome.
2 Ag+ + SO 2-  .........
4 2.Comment peut-on maintenir la stabilité dans le
noyau sachant que toutes les particules sont chargées
Pb2+ + CrO42- ......... positivement.

.......... + ............  Al (OH)3 3.Quelle est la différence entre la masse d’un proton
et celle d’un électron ?
18 L’acide éthanoïque
4.Qu’est ce qu’on peut dire des isotopes du protium ?
L’acide éthanoïque a pour formule brute C2H4O2
20 Calcul d’une masse
1.Combien d’éléments différents y a t -il dans cette
molécule ? Dans un noyau chaque nucléon a une masse 2000
2.Donner le nombre d’atomes de chaque élément fois plus grande que celle d’un électron.
composant cette molécule.
3.Déterminer le pourcentage en nombre d’atome de 1.Calculer la masse d’un noyau de plomb 207 Pb .
l’élément de symbole C. 82

19 Modèle de l’atome 2.Calculer la masse des électrons présents dans un
atome de Plomb.

3.A quoi est égal la masse d’un atome de plomb ?
Conclure.

Un atome est constitué d’un noyau concentrant Données : mp = 1,67. 10-27 kg
plus de 99,9 % de sa masse, autour duquel se
distribuent des électrons pour former un nuage
100 000 fois plus étendu que le noyau lui-même.
Ce dernier est constitué de protons, chargés
positivement, et de neutrons, électriquement
neutres ; l’hydrogène fait exception, car le noyau de
son isotope 1H, appelé protium, ne contient aucun
neutron. Les électrons occupent des orbitales
atomiques en interaction avec le noyau via la force
électromagnétique, tandis que les nucléons sont
maintenus ensemble au sein du noyau par la liaison
nucléaire, qui est une manifestation de l’interaction

28 Chapitre 1 : Modèle de l’atome

De l’atome aux édifices 2CHAPITRE
chimiques

L’Univers est composé de plusieurs matériaux dont l’atome constitue l’élément de base.
)) Comment les atomes des différents éléments chimiques s’associent-ils pour former la grande diversité
des matériaux qui nous entourent ?

Des atomes à la voie lactée.

Compétences attendues

 Dénombrer les électrons de la couche externe
 C onnaître et utiliser les règles du duet et de l’octet pour prévoir la formation d’une

molécule ou d’un ion monoatomique
 Etablir les représentations de Lewis de quelques molécules simples.
 Savoir qu’une formule brute peut correspondre à plusieurs formules développées et

semi-développées.
 Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation.

Activités

1 Configuration électronique

Un atome est formé d’un noyau et d’un nuage électronique dont la charge électrique compense celle du
noyau.
Comment ces électrons se répartissent-ils autour du noyau ?

Les électrons d’un atome se répartissent en couches. La
dernière des couches électronique est appelée couche de
valence ou couche externe. Chaque couche est caractérisée
par son numéro n. Ils sont d’autant plus liés au noyau que la
couche à laquelle ils appartiennent à un numéro n plus petit.
Pour distinguer les couches électroniques, on utilise aussi les
lettres K, L, M. Ainsi, la couche K, caractérisée par n = 1, peut
contenir 2 électrons au maximum, la couche L (n = 2) peut
en contenir 8, tandis que la couche M (n = 3) sera saturée
avec 18 électrons. A partir de la configuration électronique, les
atomes tendent à saturer leur dernière couche électronique,
ce qui revient pour eux à acquérir la structure électronique de
l’atome du gaz rare de numéro atomique le plus proche. Pour
cela, ils doivent respecter deux règles :

Règle du duet : Doc.1. L’atome selon Bohr

Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes de

numéro atomique proche de celui de l’hélium

(Z = 2) évoluent de manière à acquérir deux électrons (un duet d’électrons) sur leur couche externe.

Règle de l’octet :

Au cours de leurs transformations chimiques, les autres atomes évoluent de manière à acquérir huit
électrons (un octet d’électrons) sur leur couche externe, tel que le néon (Z = 10), l’argon (Z=18) etc…

Pour satisfaire à ces règles, les atomes disposent de deux moyens :

 L e transfert d’électrons entre deux atomes correspondant à des éléments différents pour donner des
ions ;

 L a mise en commun d’électrons par deux atomes correspondant à un même élément, ou à des éléments
différents, pour donner des molécules.

Ainsi prenons quelques éléments chimiques tel que l’Hydrogène Z = 1 ; le Carbone Z = 6 ; le Fluor Z = 9 ;

Document : Répartition des électrons autour du noyau.

Exploitation

1. A partir du texte, comment établit-on la configuration électronique d’un atome ?
2. D onner la structure (configuration) électronique des atomes des éléments cités dans le texte tel que le

Carbone, l’Hydrogène, le Fluor, l’Aluminium et le Soufre. Que peut-on dire sur le nombre d’électrons que
comporte leur couche de valence.
3. Quelle règle chaque atome de ces éléments doit-il adopter pour avoir une structure plus stable ?
4. Q uels sont les éléments dont les atomes ont tendance à gagner des électrons et ceux qui ont tendance à
perdre des électrons ?

30 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Activités

2 Formule de Lewis

Les atomes établissent des liaisons entre eux pour former des édifices chimiques.
Comment ces liaisons sont-elles représentées selon Lewis ?

La formule de Lewis a été créée par Gilbert Newton Lewis au
début du XXe siècle. Elle permet de représenter les liaisons
assemblant les atomes entre eux (liaisons covalentes
et ioniques), mais aussi les électrons de valence qui ne
participent pas aux liaisons. Le modèle de Lewis permet de
représenter la structure d’une molécule, mais ne permet pas
de montrer la forme de la molécule dans l’espace.

La représentation de Lewis est basée sur des règles simples.
De ce fait elle ne permet pas de décrire toutes les molécules,
notamment les complexes de métaux (comme la rouille).

La méthode décrite ci-dessous fonctionne globalement pour
les éléments dont le numéro atomique est tel que Z≤ 18.

Pour construire la structure de Lewis d’un atome, on doit :

 E tablir la configuration électronique de l’atome considéré,

 Déterminer le nombre d’électrons célibataires et de

doublets de sa couche de valence. L’Hydrogène a 1 électron

dans sa couche de valence, le Carbone en a 4, l’Azote 5 et le Doc.2. : Gilbert Newton Lewis
Chlore 7. (23 octobre 1875 - 23 mars 1946)

Pour déterminer le nombre d’électrons célibataires et de

doublets de la couche de valence d’un atome. Il suffit pour cela de savoir :

 Si l’atome a un nombre d’électrons inférieur ou égal à 4 dans sa couche de valence, alors ils sont tous

célibataires ; ainsi l’Hydrogène a 1 électron célibataire  H, le carbone en a 4  .
C


 Lorsqu’il y a plus de quatre électrons de valence, chaque électron se rajoutant aux quatre célibataires

forme un doublet avec l’un d’entre eux ; l’azote a 1 doublet et 3 électrons célibataires, le chlore a 3 doublets

et 1 électron célibataire. N Cl 



Document : Représentation de Lewis.

Exploitation
1. Quel est l’intérêt de savoir le numéro atomique de l’élément ?
2. Quelles sont les différentes étapes qui permettent de mettre en place une représentation de Lewis ?
3. Que représentent les points et les traits autour de chaque atome ?
4. D’après le texte, quelles sont les règles qui doivent être respectées lors de la construction d’une représentation

de Lewis ?
5. D›après le texte, quelle est l’utilité de la formule de Lewis ? Dire ses limites.

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques 31

Activités

3 Modèle moléculaire

Pour connaître comment les atomes se positionnent les uns
par rapport aux autres dans l’espace, les modèles moléculaires
sont des outils utiles pour les chimistes. Une boîte de modèle
moléculaire est constituée de boules trouées représentant les
atomes et des tiges matérialisant les liaisons chimiques.
Comment le chimiste utilise le modèle moléculaire pour
représenter des molécules?
Données :Le tableau des codes de couleurs et le numéro
atomique de chaque atome:

Doc.3. Modèles moléculaires

Doc.4. Exemples des modèles moléculaires

Éléments Carbone Hydrogène Oxygène Chlore Azote
Couleur noir blanc rouge vert bleu
N° Atomique 6 1 8 17 7

Matériel

1 boîte de modèle moléculaire.

Protocole

Construire les modèles moléculaires des molécules suivantes : Eau H2O, dioxyde de Carbone CO2, Ammoniac
NH3 et Méthane CH4.

Exploitation
1. Dans la molécule d’eau, combien d’électrons sont apportés par l’ensemble des couches externes des atomes.
2. Un bâton du modèle moléculaire correspond à un doublet liant, combien de doublet liant possède la molécule

d’eau ?
3.Construire la molécule d’eau en faisant intervenir le nombre de doublet liant ?
4. Après avoir déterminer leur nombre de doublet liant, construire les molécules de dioxyde carbone,

d’ammoniac et du méthane.
5.Donner la représentation de Lewis des molécules précédentes
6. E n utilisant les modèles moléculaires combien de molécules différentes, de formule brute C3H8O peut-on

construire ?

32 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Activités

4 Notions d’isoméries

Il existe une quantité indénombrable de molécules. Certaines d’entre elles possèdent la même formule brute

mais sont représentées différemment : ce sont des isomères.

Comment peut- on établir la représentation d’une molécule en plusieurs formes ?

Le terme isomérie vient du grec isos (identique) et meros (partie). L’isomérie a été remarquée la première
fois en 1827, quand Friedrich Wölher a préparé l’acide cyanique (N≡C―OH). Il a noté que sa composition
élémentaire est la même que celle de l’acide fulminique H―N=C=O, préparé par Justus von Liebig.
Les propriétés chimiques de ces substances sont radicalement différentes. Cette découverte était
contradictoire avec les théories de l’époque. On pensait que les propriétés d’une substance étaient
entièrement déterminées par sa formule brute.
 En chimie moléculaire, une formule semi-développée est une simplification d’une formule développée
plane, dans laquelle on ne représente pas les liaisons carbone-hydrogène. Le principe de représentation des
atomes est le même : un trait pour liaison simple; deux traits pour liaisons doubles et trois traits pour liaisons
triples.
Par exemple : l’octane (C8H18):

HHHHH HHH

H C C C C C C C C H CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

HHHHH HHH Formule semi - développée:
Formule développée:

Dans la représentation semi-developpée on écrit aussi H3C CH2 CH3 pour insister sur la lisaison

C C.

(a) (b)

Doc.5. Deux molécules isomères : (a) : l’acide propanoïque ; (b) : l’éthanoate de méthyle 33
Document : Isomérie.
Exploitation 

1. L’acide cyanique est l’acide fulminique sont t-elles des isomères ? Justifier.
2. Ont t-ils les mêmes propriétés ?
3. Donner la formule brute des molécules du (Doc.5).
4. D onner la représentation de Lewis de chaque molécule et vérifier les règles du duet et de l’octet.
5. Écrire leur formule semi-développée et développée et montrer en quoi diffèrent les deux formules.
6. Combien de représentation peut-on les établir ? Conclure.

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Cours

1 Structure électronique d’un atome.

Au cours du XX° siècle, les scientifiques ont élaboré un modèle de l’atome
plus riche que le modèle de Rutherford, permettant d’interpréter la formation
des ions et des molécules (Chapitre 1).

1.1. Couches électroniques Doc.6. Couches électroniques

Les électrons d’un atome se répartissent dans des couches
électroniques. Chaque couche est représentée par un numéro n;
pour les atomes dont le numéro atomique est inférieur ou égal
à 18, les couches occupées sont les couches K(n=1), L(n=2) et
M(n=3). La dernière couche occupée s’appelle la couche externe ou
la couche de valence. Les électrons qui l’occupent sont appelés les
électrons externes de l’atome ou les électrons de valence.

1.2. Règles de remplissage Numéro symbole Nombre maximal
de la d’électrons sur la
Une couche électronique ne peut contenir qu’un nombre limité couche n K couche
d’électrons : 2 électrons sur la couche K; 8 électrons sur la couche L
L; 18 électrons sur la couche M; Une couche contenant un nombre 1 M 2
maximal d’électrons est dite saturée. 2 8
3 18
Les électrons commencent par occuper la couche K, puis,
quand celle-ci est saturée, le reste se placent sur la couche Doc.7. Notation des couches.
L. Une fois la couche L est saturée, les électrons qui restent à
repartir sont placés sur la couche M.

1.3.Représentation de la structure électronique

Pour écrire la structure électronique d’un atome, on écrit successivement les couches électroniques en
commençant par la couche K. On note entre parenthèse le nom de la couche et on l’affecte d’un exposant qui
indique le nombre d’électrons dans la couche, jusqu’à épuisement des Z électrons

Exemples :

Doc.8. Structure électronique de l’atome de Doc. 9. Structure électronique de l’atome de chlore :
carbone : Z = 6 : (K)2(L)4 Z = 17 : (K) 2 (L) 8 (M) 7

2 Règles du duet et de l’octet Gaz noble Numéro Structure
atomique électronique

Dans l’Univers, les atomes des éléments restent rarement Hélium (He) Z = 2 (K)2

isolés ; ils forment des édifices : molécules, cristaux. Néon (Ne) Z = 10 (K)2 (L)8

Cependant, certains éléments sont chimiquement inertes et Argon (Ar) Z = 18 (K)2 (L)8 (M)8
restent à l’état d’atome : c’est le cas des gaz nobles.

Ainsi, les atomes de ces derniers présentent une grande inertie Doc.10.Tableau regroupant les trois premiers gaz
nobles

chimique : celle-ci est due à leur structure électronique externe, en

34 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Cours

duet pour l’hélium et en octet pour tous les autres.

Au cours de leurs réactions chimiques, les atomes ont tendance à adopter, lorsque cela est possible, une
structure électronique externe en octet, constituée de quatre doublets d’électrons.
Pour les atomes dont le numéro atomique est voisin de celui de l’hélium, la structure électronique recherchée
est un duet constitué d’un doublet d’électrons.

Pour satisfaire la règle du duet ou de l’octet, les atomes ont deux possiblités :
Ils peuvent perdre ou gagner des électrons et se transformer en ions (cations /anions).
 I ls peuvent partager des électrons avec d’autres atomes pour former des

molécules.

3 Formation des ions.

Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Un atome qui Doc.11. L’ion Aluminium
perd des électrons devient chargé positivement : c’est un cation.

Un atome qui gagne des électrons devient chargé négativement: C’est un anion.

Exemple1 : L’aluminium a une structure électronique :
Z = 13 : (K) 2 (L) 8 (M) 3. Pour respecter la règle de l’octet, il doit perdre les 3
électrons de sa couche externe (car 3 < 4), donc on aura Al3+ ((K) 2 (L) 8).

Exemple :Le chlore a une structure électronique :
Z = 17 : (K) 2 (L) 8 (M) 7. Pour respecter la règle de l’octet, il doit gagner 1
électron sur sa couche externe (car 7 > 4), donc on aura Cl-. ( (K) 2 (L) 8 (M) 8)

4 Formation des molécules

4.1. Définition

Une molécule est constituée d’un assemblage d’atomes. Elle est Doc.12. L’ion chlorure.
électriquement neutre. Chaque molécule est représentée par une formule
brute qui traduit sa composition.

Pour écrire la formule brute d’une molécule, on écrit côte à côte les symboles
des éléments qui la constituent, en précisant en indice à droite du symbole, le
nombre d’atomes de chaque élément.

Exemples :

Molécule de méthane CH4 : 1 atome de carbone et 4 atomes d’hydrogène Doc.13. La molécule du méthane
(Doc.13)

Molécule d’eau H2O : 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène (Doc.14)

4.2.Liaison covalente

Dans une molécule, les atomes mettent en commun des électrons de leur
couche externe afin d’acquérir chacun, une structure stable en duet ou en octet.

Doc.14. La molécule d’eau.

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques 35

Cours

Une liaison covalente simple correspond à la mise en commun par deux
atomes de deux électrons de leur couche externe pour former un doublet
d’électrons appelé doublet-liant. Elle est représentée par un tiret entre
les symboles des deux atomes.

Le nombre de liaisons covalentes que peut former un atome est égal
au nombre d’électrons qui manque sur sa couche externe pour avoir la
structure stable en duet ou en octet.

5 Représentation de Lewis des molécules Doc.15. Les liaisons covalentes de la
molécule d’eau.
La représentation de Lewis d’une molécule est une représentation de
tous les atomes qui constituent la molécule ainsi que tous les doublets
d’électrons périphériques liant et non liants de cette molécule.

5.1. Doublets liants et doublets non-liants

Un doublet liant est constitué de deux électrons mis en commun dans une liaison covalente.

Un doublet non liant est formé par deux électrons de la couche externe d’un même atome. Ces électrons ne
sont pas engagés dans une liaison covalente.

Atome Structure électronique Gaz noble le plus proche Nombre d'électrons à gagner
=
H (K)1 He (K)2
C (K)2(L)4 Ne (K)2(L)8 Nombre de liaisons covalentes
N (K)2(L)5 Ne (K)2(L)8 1
O (K)2(L)6 Ne (K)2(L)8 4
3
2

Doc.16. Tableau regroupant le nombre de doublets liants de quelques éléments.

5.2. Établir une représentation de Lewis
La réalisation de la représentation de Lewis d’une molécule peut être réussit en utilisant la méthode suivante :

MÉTHODE EXEMPLE

1.Écrire le nom et la formule brute de la molécule. 1. Ammoniac : NH3
2. N : (K)2 (L)5 et H : (K)1
2.Écrire la configuration électronique de chaque
atome 3. ne(N) = 5 et ne(H) = 1

3.En déduire le nombre ne d’électrons externes des 4. nl ( N) = 8 - 5 = 3 et nl ( H) = 2 – 1 = 1
atomes mis en jeu.
5. nt = (1×5) + (3×1) = 8
4.En déduire le nombre nl de liaisons covalentes 8
que doit établir l’atome pour acquérir une structure 6.nd = 2 =4
en octet ou en duet.
7.
5.Calculer le nombre total nt d’électrons externes de H N H
la molécule. H

6.En déduire le nombre nd de doublets externes. 8. L’atome d’azote participe à 3 liaisons, les atomes
d’hydrogène à 1 liaison.
7.Répartir les doublets de la molécule en doublets
liants et non liants en respectant la règle du duet
pour l’hydrogène et celle de l’octet pour les autres
atomes.

8.Vérifier que les valeurs de nl sont respectées.

36 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Cours

6 Notion d’isomérie

6.1.Formules développées et semi-développées
L’enchaînement des atomes peut être représenté par une formule développée ou semi-développée.
Les formules développées proviennent de la représentation de Lewis: seuls les doublets liants sont représentés.

Dans une formule développée, toutes les liaisons covalentes apparaissent.
Dans une formule semi-développée, les liaisons concernant les atomes d’hydrogène ne sont pas
représentées.

Exemples: C4H10 Formule développée
Formule semi-développée HHH H

CH3–CH2–CH2– CH3 HCCC CH

HHH H

Doc.17. Formule du butane : à gauche, semi développée et à droite développée.

6.2. Définition de l’isomérie

Deux molécules sont isomères lorsqu’elles ont la même formule brute mais des enchaînements d’atomes
différents. Elles portent des noms différents et ont des propriétés physiques, chimiques et biologiques
différentes.

Exemple : C2H6O

Formule brute Formule semi- Noms Propriétés physico-chimiques
développée

C2H6O CH3– CH2– OH Ethanol - Température de fusion : -114° C
CH3– O – CH3 Méthoxyméthane - Température d’ébullition : 78 - 78,5 ° C
ou Diméthyléther - Densité : 0,789
-Température de fusion : - 141,5° C

- Température d’ébullition : -24,8 ° C
- Densité : 0,73

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques 37

Cours

L’essentiel du cours

1.Structure électronique de l’atome
 L es électrons se repartissent autour du noyau en différentes couches électroniques K, L, M, etc.

Chaque couche ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons.

 P our les éléments de numéro atomique inférieur à 18, on répartit les électrons sur les différentes
couches en commençant par la couche K, jusqu’à ce qu’elle soit remplie, puis on remplit la couche
L, etc. La couche externe est la dernière couche contenant des électrons.

 D onner la structure électronique d’un atome, c’est indiquer le nombre d’électrons sur chaque
couche.

2. Règle du duet et de l’octet
 Les éléments les plus stables chimiquement sont les gaz nobles.

 L es éléments de numéro atomique proche de l’hélium cherchent à acquérir 2 électrons sur leur
couche externe. C’est la règle du « duet ». Les autres éléments cherchent à acquérir 8 électrons sur
leur couche externe. C’est la règle de l’octet.

3.Formation des ions monoatomiques
 Pour respecter la règle du duet et de l’octet, les éléments peuvent former des ions monoatomiques.

 Un ion monoatomique est formé par un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

 La charge électrique d’un ion est égale à la somme des charges des particules qui le composent.

4.Formation des molécules
 U ne molécule est un ensemble d’atomes liés par des liaisons covalentes. Pour former une liaison

covalente, deux atomes mettent en commun chacun un électron de leur couche externe. Les deux
électrons mis en commun forment un doublet liant.

 L e nombre de liaisons covalentes formées par un atome est égal au nombre d’électrons à acquérir
pour obéir aux règles du duet et / ou de l’octet.

 L es électrons de la couche externe non engagés dans des liaisons covalentes forment des doublets
non liants.

5.Représentation de Lewis

 D ans la représentation de Lewis, on représente les doublets liants et non liants par des traits. Dans
la formule développée, on ne représente que les doublets liants.

6. Les isomères
 L es isomères sont des molécules ayant une même formule brute, mais des enchainements d’atomes

différents. Des isomères ont des noms et des propriétés physiques et chimiques différents.

38 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Exercices

connaître a.NO2 ;
b.N2O ;
1 Définitions c.N2O ;
1.Pourquoi les molécules se forment-elles ? 3.Une molécule de peroxyde d’hydrogène possède
2.Qu’est-ce qu’une liaison covalente ? deux atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygènes.
3.Qu’est-ce qu’un doublet liant ? un doublet non liant ? Sa formule s’écrit :
4.Quand dit-on que deux molécules sont isomères ?
5.Quelle est la différence entre une formule brute, une a.2HO
b.H2O2
formule semi-développée et une formule développée ? c.HO2
4.CH3F est une formule :
2 Q.C.M :
1.La liaison covalente résulte de la formation d’un a.Formule brute
b.Formule semi-développée
doublet d’électrons provenant : c.Formule développée.
a.de la couche externe d’un atome ;
b.de la couche interne d’un atome ; 4 Isomérie
c.des couches externes de deux atomes ;
d.des couches internes de deux atomes. Choisir dans la liste de mots qui conviennent pour
2.Une liaison covalente lie : remplacer les cases manquantes du texte :
a.deux atomes ;
b.plusieurs atomes ; a.Espèce chimique ; b.différents ; c.formule brute ;
c.deux ions. d. physique et chimiques.
3.Les isomères ont :
a.une représentation de Lewis identique ; 1.On appelle isomères des espèces ayant la
b.une formule brute identique ; même………………… mais des enchainements d’atomes
c.des propriétés physiques et chimiques identiques. …………………
4.La géométrie des molécules :
a.est donnée par la représentation de Lewis ; 2.Deux isomères des propriétés …………………..
b.est donnée par la formule développée ; distinctes : ce sont des ………………….. différents.

3 Choisir la (ou les) bonne(s) réponse(s). 5 Formations des ions
1.La molécule d’eau, de formule H2O, contient :
1.Comment se forme un ion.
a.1 atome d’oxygène
b.2 atomes d’oxygène 2.Quelle est la différence entre un cation et un anion.
c.2 atomes d’hydrogène
2.Une molécule de dioxyde d’azote est formée d’un 6 La N-méthylamine
atome d’azote et de deux atomes d’oxygène. Sa
formule s’écrit : La N-méthylamine est une amine utilisée dans le
tannage des cuirs. Sa molécule a comme formule

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques 39

Exercices

brute C2H7N. qui a gagné un électron. Comment le note-t-on ?
1.Donner le nom et le nombre d’atome de chaque 2.L’ion aluminium est formé à partir de l’atome
élément chimique composant cette molécule. d’aluminium qui a perdu trois électrons.
2.S’agit-il d’un corps simple ou composé ? Pourquoi ? Comment le note-t-on?
3.Donner la définition de l’isomérie 3.L’atome de zinc possède 30 protons et 65 nucléons.
4.Donner la formule développée et semi-développée a.Comment note-t-on l’ion zinc ?
de toutes les molécules correspondant à cette formule b.Donner la composition en particules élémentaires
brute. Que dire de ces molécules ? Pourquoi ? de cet ion.
5.Donner le nombre d’électrons sur la couche externe
de chaque atome au sein de la molécule. 11 Isomérie
6.Enoncer les règles expliquant la formation des
molécules. 1.Donner la définition du mot «isomères».
2.On considère le corps de formule brute C3H9N.
appliquer Déterminer la structure électronique de chacun des
atomes constituant ce corps.
7 Cortège électronique Combien de liaisons covalentes ces atomes doivent-ils
établir pour obtenir une structure en duet ou en octet?
L’élément bore de symbole B est caractérisé par son 3.Donner les formule semi développées de tous les
numéro atomique: Z=5. isomères correspondant à cette formule brute.
1.Quelle est la répartition des électrons de l’atome
bore ? Données ; C (Z = 6) N ( Z =7) et H (Z=1)
2.En déduire le nombre d’électrons périphériques de
cet atome. 12 Composition d’un ion

8 Répartition électronique d’un atome Au cours d’une transformation chimique, un atome
d’azote gagne 3 électrons. Cet atome est caractérisé
La formule électronique d’un atome est : (K)2(L)8(M)7. par Z = 7 et A = 14.
1.Quelle est la couche externe de cet atome?
2.Combien d’électrons périphériques cet atome 1.Donner la composition en particules élémentaires
possède-t-il ? de l’atome d’azote.
3.Donner le symbole de son noyau, sachant que
l’élément correspondant est le chlore et que son 2.Donner la composition en particules élémentaires
noyau comporte 18 neutrons. de l’ion formé.
4.Cet atome gagne facilement un électron pour
donner l’ion chlorure. Donner la répartition des 3.Comment note-t-on chimiquement cet ion?
électrons de l’ion chlorure.
13 Déterminer le nombre de protons, neutrons et
9 Formation d’ions
électrons des atomes suivants : C; H ; Cl
On considère les éléments béryllium (Z=4), néon
(Z=10), phosphore (Z=15), et soufre (Z=16). 1. Donner la structure électronique des atomes
1.Déterminer la structure électronique de leurs composant la molécule suivante : C3H7Cl
atomes. Données : Z(C) = 6 ; Z(H) = 1 ; Z(Cl) = 17
2.Quels ions ont-ils tendance à donner? Justifier
2. Combien de liaisons covalentes doivent-ils établir
10 Symbole de quelques ions: pour obtenir une structure stable en octet ou en duet ?
1.L’ion bromure est formé à partir de l’atome de brome 3. Déterminer le nombre total de doublets de la
molécule.
4. Déterminer les différentes formes de
représentations de Lewis correspondant à la formule
brute de cette molécule C3H7Cl
5. Ecrire les formules semi-développées de ces
molécules. Comment appelle-t-on ces 2 molécules ?

40 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

Exercices

14 Représentation des molécules 17 Les ions dans la dentifrice

1. Donner la structure électronique des atomes
suivants :

14 N ; 1 H ; 35 Cl ; 12 C .
7 1 17 6

2.En déduire leurs représentations de Lewis. La dentifrice Vademencum contient du fluorure de
sodium.
3.Donner la représentation de Lewis des molécules
suivantes NH3 ; HCl ; CH4 ; C2H4. Donner leur nom (en 1.Donner la configuration électronique des atomes de
cherchant sur internet par exemple). Citer le nombre fluor F(Z=9) et de sodium Na(Z=11).
de liaisons simples doubles ou triples dans chacune
de ses molécules. On présentera ces informations 2.En déduire les ions auxquelles ils donnent
dans un tableau naissance lors d’une réaction chimique. Justifier.

formule 3.Proposer une formule chimique pour le fluorure de
nom sodium, celle-ci devant tenir compte de la neutralité
représentation de électronique de l’édifice.
Lewis
nombre de analyser
liaisons
18 Proportion et molécule
Données : Z (C) = 6 ; Z (H) = 1 ; Z (O) = 8 ; Z(N) = 7
On considère une molécule contenant 12 atomes au
15 Représentation de Lewis total, de formule brute Cx Hy Oz : 25,0 % de l’ensemble
des atomes sont des atomes de carbone, 66,7 0%
Compléter les représentations de Lewis des molécules sont des atomes d’hydrogène et le reste des atomes
d’oxygène.
suivantes en ajoutant des doublets liants et/ ou non
1.Déterminer les valeurs de x, de y et de z ?
liants manquants :
2.Donner la formule brute de la molécule.
1. H C 0 2. S
H HH 3.En déduire les représentations de Lewis possibles.

H 19 Hexane et cyclohexane
3.
L’hexane et le cyclohexane ont pour représentation de
HNCH Lewis :

Données : H (Z=1) ; C(=6) ; O(Z=8) ; N(Z=7) ; a.
S(Z=16). HHHHHH

HC C C C C CH

16 Représentation de Lewis inexacte HHHHHH

Les représentations de Lewis des molécules suivantes b. H H
sont incorrectes. Expliquer dans chaque cas ce qui les
rend inexactes et les corriger. HCH

1.CO2 : O C O H HC CH
2. CH4 : C H H HC H

C
HCH

HH

Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques 41

Exercices

1. Quelle est la formule brute de chacune des deux 5.Quelle est l’intérêt du magnésium dans la
molécules ? construction automobile ?
2. Sont -ils isomères ? Justifier la réponse. 6.Donner la définition de l’isotopie.
7.Expliquer pourquoi les espèces suivantes sont
20 L’élément magnésium isotopes : 24Mg ; 25Mg ; 26Mg
8.Ecrire l’expression littérale de la masse d’un atome
Nom : Magnésium ; Symbole : Mg de magnésium 24Mg puis calculer sa valeur.
Masse volumique : ρ (Mg) = 1738 kg/m3 21 La molécule de sommeil
Couleur blanc-gris métallique
Isotopes les plus stable 24Mg : 78,99 % ; «En 1994, des chercheurs ont isolés du liquide
Le magnésium est un métal alcalino-terreux. C'est céphalorachidien de chats privés de sommeil pendant
le huitième élément le plus abondant de la croûte 22 heures une molécule formée d’une longue chaîne
terrestre, le troisième métal derrière l'aluminium et d’atomes de carbone, sur laquelle sont fixés des
le fer. C'est aussi le troisième composant des sels atomes d’hydrogène, un atome d’azote et un atome
dissous dans l'eau de mer. Le nom magnésium d’oxygène (voir doc.1).
provient du nom grec d'un district de Thessalie Après une difficile analyse chimique, l’administration
appelé Magnesia. Cette ville était extrêmement riche de cette molécule à des animaux a provoqué leur
en magnésium et ce sous différentes formes. En sommeil. On a alors montré que la molécule est
Angleterre, Joseph reconnut le magnésium comme un rapidement dégradée dans le cerveau en acide
élément en 1755. Le magnésium, métal possédant oléique.
de faibles caractéristiques mécaniques, est très Ainsi se confirme une intention du Français Henri
léger (un tiers plus léger que l'aluminium); d'aspect Piéron qui, au début siècle, avait postulé l’existence
blanc-argenté, il se ternit légèrement une fois exposé d’une substance somnifère, qui s’accumulerait dans
à l'air par formation d'un oxycarbonate. En solution, le cerveau au cours de la journée, qui déclencherait
il forme des ions Mg2+. Les sels de magnésium sont le sommeil au-delà d’une certaine concentration et
très solubles dans l'eau. Le magnésium est largement serait détruite lors du sommeil.»
employé dans les alliages à base d'aluminium
destinés à la déformation plastique, servant à la D’après « Molécule du sommeil »,
fabrication de profilés ou des canettes de boissons, Pour la Science n°220, février 1996.
qui en consomme des quantités importantes.. Utilisés
principalement dans l'aéronautique, les alliages de 1.Qu’est-ce qu’est une substance somnifère ?
magnésium commencent à s'étendre dans d'autres 2.Donner la structure électronique des atomes
secteurs d'activités, notamment dans l'industrie suivants : carbone C (Z=6), hydrogène H (Z=1), azote N
automobile où la politique est actuellement de (Z=7) et oxygène O (Z=8).
minimiser le poids des véhicules afin de réduire la 3.En déduire leurs nombres de liaisons covalentes.
consommation en carburant. 4.Ecrire la représentation de Lewis de la molécule
Différents composés à base de magnésium : du sommeil, sachant que la plupart des atomes
La magnésie MgO ; L’hydroxyde de magnésium d’hydrogène n’ont pas été représentés, puis donner
(Mg(OH)2), chlorure de magnésium (MgCl2) sa formule brute.
5.L’acide oléique, de formule brute C18 H34O2 , est-il un
D’après un article de Wikipedia isomère de la molécule du sommeil

25Mg : 11,01 % ; 26Mg : 10,00 %
m(nucléon) = 1,67x10-27 kg ;
m(electron) = 9,9x10-31 kg;
1.Donner la composition d’un atome de magnésium
2.Donner la structure électronique de cet atome
3.Enoncer la règle du duet et de l’octet.
4.Donner la structure électronique de l’ion
magnésium Mg2+ et expliquer, à l’aide de la
question 3, pourquoi il se forme.

42 Chapitre 2 : De l’ atôme aux édifices chimiques

De l’infiniment petit 3CHAPITRE
à l’infiniment grand

L’atome, cette structure électriquement neutre de taille infime composant toute la matière qui nous
entoure représente l’infiniment petit. Mercure, la première planète du système solaire représente,
quant à elle l’ infiniment grand.
)) Comment s’organise la matière qui nous entoure ?

L’univers

Compétences attendues

 Analyser des documents scientifiques portant sur la description de l’Univers.
 Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeur des tailles et des

distances.
 Connaître ce que signifie « structure lacunaire de la matière ».
 Connaître la définition de l’année de lumière et son intérêt.
 Expliquer l’expression « voir loin, c’est voir dans le passé ».
 Mettre en œuvre une technique de mesure d’une petite et d’une grande longueur.

Activités

1 HUtisiltisoairteiodnedl’auncloaustsilifpiocaurtidoéncpriéreriol’duinqivueersde: sleéslpéumisesnatnsccehsimdeiq1u0e

Dans le système international d’unité, une longueur s’exprime en mètre (m). Pour des distances très petite ou
très grande on utilise les puissances de 10.
Quel est l’interêt d’utiliser les puissances de 10 ?
voici les longueurs de quelques objets :
Objets numérotés : 1 la Terre, 2 une molécule d’ADN, 3 le système solaire, 4 notre Galaxie,
5 un homme, 6 un atome de carbone, 7 un noyau d’atome de carbone, 8 un proton, 9 une cellule de
feuille, 10 une fourmi.
Longueurs : 12750 km, 1021m, 12 milliards de km, 10-15 m, 1.80 m, 10-3 m, 10-10 m, 10 nm, 10 µm,
10-11 mm.
Numéro de l’objet
Longueur en notation scientifique
exprimée en metre
Puissance de 10 de l’ordre de
grandeur exprimer en mètre
Puissance de 10 de l’ordre de
grandeur exprimé avec l’unité la
mieux appropriée
Doc.1.Tableau de comparaison des tailles des objets

Doc. 2. Échelle des longueurs graduées en puissance de 10.
Exploitation
1. Classer les 10 objets, du plus grand au plus petit.
2. Q uelle stratégie est adoptée pour associer à chaque objet sa longueur ? L’expliciter par écrit dans votre

cahier.
3. Mettre en œuvre la stratégie choisie, après l’avoir validé par le professeur.
4. R ecopier et compléter le tableau (Doc.1)par ordre de taille décroissant, après avoir fait valider vos réponses

précédentes.
5. Rechercher sur internet en mètre de : l’unité astronomique et l’année de lumière.
6. A près avoir recopié l’axe ci-dessus (Doc.2) placer les longueurs des dix objets sur l’axe gradué (voir exemple

de la fourmi). Faire apparaître en rouge sur l’axe, l’unité astronomique et l’année de lumière.
7. Quelles conclusions pouvez-vous tirer de cette activité ?

44 Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand

Activités

2 Détermination de la taille d’une molécule : méthode de Franklin

En 1774, à Clapham, près de Londres, Benjamin Franklin fait l’expérience suivante :
Au bord d’un étang, il verse une cuillère d’huile à la surface de l’eau et
constate que la tache s’étale sur une très grande superficie (environ 2000
m2). L’expérience est reproduite 100 ans plus tard par Lord Rayleigh qui
observe le même phénomène.

Pourquoi la tache d’huile se répand-elle sur une surface aussi
grande ? Que se passe-t-il au niveau des molécules ?
Peut - on mesurer facilement la taille d’une molécule d’huile?

Pour vous aider

Propriétés des molécules d’huile : Doc.3.Benjamin Franklin
Partie hydrophobe
Les molécules d’huile possèdent deux parties distinctes ayant des
comportements opposés.

L’une des extrémités de la molécule aime s’entourer d’eau. Cette
extrémité hydrophile (hydro ↔ eau ; phile ↔ aimer) est généralement
appelée « tête » .
Le reste de la molécule est une chaîne carbonée hydrophobe (elle a
tendance à fuir l’eau) (Doc.4).
Lorsque les molécules d’huile sont introduites dans l’eau, elles se
regroupent à la surface comme le montre le schéma ci-dessous. On
obtient alors une couche huileuse régulière (Doc.5).

Partie hydrophile
Doc.4.Une molécule d’huile

Doc.5.Molécules d’huile à la surface de l’eau.

Matériel et produits Doc.6.Chute d’une goutte d’huile à la surface de l’eau.

1 assiette; 1 pipette graduée de 1 mL; 1 règle
graduée; des gants; 1 fiole jaugée de 100 mL;
des Lunette de protection, 1 burette
graduée; 1 bécher; 1 papier calque; 1 verre
transparent; de l’acétone, de huile d’arachide,
du talc; détergent; eau distillée.

Protocole

1. N ettoyer l’assiette avec un détergent .Bien le sécher, puis remplir l’assiette avec de l’eau (l’eau doit
affleurer).

2. Souffler du talc en prenant soin d’obtenir un film assez uniforme.
3. A vec une pipette graduée de 1 mL, prélever 0,2 mL d’huile d’arachide. Placer l’huile dans une fiole jaugée de

100 mL .Compléter avec de l’acétone du commerce (le volume final contient 1/ 500ème d’huile en volume).

Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand 45

Activités

4. C’est la solution S0. la burette avec cette solution S0
5. Agiter convenablement, puis remplir l’assiette.
Verser délicatement une goutte sur

Exploitation

1. Noter la signification du pictogramme présent sur la bouteille d’acétone. Quelles sont les règles de sécurité à
respecter lors de l’utilisation de l’acétone ?
2.
3. Quelle est la proportion en volume, notée p d’huile dans la solution S0. soluble dans l’eau et l’huile ne l’est
Qu’observe- t-on lorsqu’une goutte tombe sur l’assiette (l’acétone est très

pas).
4. Mesurer le diamètre de la tache, puis calculer la surface de la tache (voir Doc.6).
5. Sachant que le volume de la goutte est estimé à 5 x 10 -2 cm3 calculer le volume d’huile (tenir compte de la
proportion de la question 2).
6. Calculer l’épaisseur e représentant la taille de la molécule (voir Doc.6).
7. C omparer avec la valeur théorique etheroique = 5 nm.

3 Univers et lumière

l’étude de la vitesse de la propagation de la lumière est intimement liée à l’étude de sa nature. Des grands
noms de la physique se sont intéressés à cette question : Newton (XVIe siècle) par exemple, Römer (XVIIe
siècle) et plus récemment Fizeau (XIXe siècle).

Les scientifiques ont cherché à déterminer la vitesse de la limière : est t-elle infini ou très grande ?

Texte de Hubert Reeves : « Patience dans l’Azur » ed. du Seuil.
« Nous savons aujourd’hui, que comme le son, la lumière se propage à une vitesse
bien déterminée [….] d’environ trois cent mille kilomètre par seconde, un million
de fois plus vite que le son dans l’air. Il faut bien reconnaître que, par rapport
aux dimensions dont nous parlons maintenant, cette vitesse est plutôt faible. A
l’échelle astronomique, la lumière progresse à pas de tortue. Les nouvelles qu’elle
nous apporte ne sont plus fraîches du tout !
Pour nous c’est plutôt un avantage. Nous avons trouvé la machine à remonter le
temps ! En regardant « loin », nous regardons « tôt ». La nébuleuse d’Orion nous
apparait telle qu’elle était à la fin de l’empire romain, et la galaxie d’Andromède
telle était au moment de l’apparition des premiers hommes, il y a deux millions
d’années. A l’inverse, hypothétiques habitants d’Andromède, munis de puissants télescopes, pourraient voir
aujourd’hui l’éveil de l’humanité sur notre planète…. »

Document : La machine à remonter le temps

Exploitation
Répondre aux questions suivantes après avoir lu attentivement le texte.
1. E crire la vitesse de la lumière avec un chiffre significatif et en déduire la vitesse du son en, km.s-1 à l’aide des

données du texte.
2. H ubert Reeves parle de « vitesse plutôt faible[…], la lumière progresse à pas de tortue »

Connaît- on des corps qui peuvent se déplacer plus vite que la lumière dans le vide ?
3. D éterminer à quelle distance de la Terre se trouve la nébuleuse d’Orion en km (On datera la fin de l’Empire

romain à l’année 476.)
4. A quelle distance de la Terre se trouve la galaxie d’Andromède en années de lumière ?
5. Expliquer la phrase : « ……..d’hypothétiques habitants d’Andromède […] pourraient voir l’éveil de l’humanité

sur notre planète »

46 Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand

Activités

4. Calcul d’une distance par la méthode de parallaxe

Le phénomène de parallaxe se manifeste quand on vise un objet de 2 endroits différents.
Ératosthène, directeur de la grande bibliothèque d’Alexandrie en 205 avant J.C, propose une méthode
purement géométrique pour mesurer la taille de la Terre :c’est le parallaxe.

Comme Ératosthène, pouvons-nous utiliser cette méthode de parallaxe pour calculer la distance qui
nous sépare d’un objet ?

Matériels
5 épingles, papiers, supports en bois

Protocole
1. P lacer l’épingle 1 ( en un point K ) sur le bord

supérieur d’une feuille de papier posée sur un
support.
2. P oser l’ensemble sur la table de façon à faire
coïncider l’épingle 1 avec un repère (en A) sur le
bord gauche de la table.
3. Viser un point 0 sur le bureau du professeur et
placer sur votre feuille en A’, une épingle 2 dans
l’alignement de A et 0.
4. Déplacer le support d’une distance D (= AB), de
façon à faire coïncider l’épingle 1 avec un repère Doc.7. La parallaxe.
(en B) sur le bord droit de la table.
5. Viser à nouveau le point O et placer sur votre feuille, en B’, une épingle 3 dans l’alignement de O et de B
(Doc.7).
6. T racer les traits KA’ et KB’ et les prolonger jusqu’au bord de la feuille. On notera A’’ et B’’ les points
correspondants (Doc.8).
On montre que le triangle reproduit sur le papier se superpose au triangle AOB et que l’on obtient la figure
(Doc.9).

Exploitation
1. Trouver, en utilisant le théorème de Thalès, une relation entre AB, A’ B’, OH et OJ.
2. En déduire la distance OH correspondants.

Doc.8.Triangle. Doc.9.Triangle semblable.
Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand
47

Cours

1 Ecriture scientifique, chiffres significatifs, ordre de grandeur
(voir fiche méthode)
Mettre un nombre (positif) en écriture scientifique consiste à l’écrire sous la forme : a.10n avec a et n
entier relatif.

Exemple : L’épaisseur nominale d’un CD vaut 0,0012 m soit 1,2.10-3m. Les scientifiques adoptent cette
écriture pour deux raisons pratiques :

Le nombre a devant la puissance de 10 ne fait apparaitre que les chiffres significatifs.
La puissance de 10 donne l’ordre de grandeur : 10n si a <5 ou 10n+1 si a ≥ 5

2 Présentation de l’Univers

L’ Univers est tout ce qui existe. Il comporte des objets extrêmement petits, comme les atomes, ou extrêmement
grand comme les Galaxies.

2.1. L’infiniment grand

a. Le système solaire

on observe aisement les étoiles (dont le Soleil fait
partie). Le système solaire comporte, outre le soleil
boule de gaz très chaude en rotation, huit planètes
(Mercure, Venus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus,
Neptune) qui tournent autour de lui dans le même sens
ainsi que les satellites de ces planètes (les astéroïdes et
les comètes).

La distance Terre - Soleil est estimée à 150 millions de Doc.10. Système solaire.
km. Cette distance est appelée l’unité astronomique
notée u.a (1u.a = 1,5x 1011 m).

Pluton n’est plus considéré aujourd’hui comme une
planète.

b. Les galaxies

Les étoiles sont regroupées en galaxies (nombre
estimé à environ 100 milliards).

Toutes les étoiles que nous voyons à l’œil nu font partie de
notre galaxie.

Notre galaxie contient environ 200 milliards d’étoiles. Elle
a la forme d’un disque comportant un renflement dans la
région centrale . Elle s’appelle la « Voie Lactée » (trainée
laiteuse dans le ciel nocturne). Notre galaxie s’étend sur
un disque environ 10 21 m .

Les distances entre les étoiles d’une galaxie sont de Doc.11. La voie lactée
l’ordre 10 16m

Il existe dans la galaxie des systèmes planétaires extrasolaires : constitués de planètes (exoplanetes) gravitant
autour d’une autre étoile que le soleil.

48 Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand

Cours

c. L’ Univers

L’univers contient des milliards de galaxies. Celles-ci sont regroupées en amas (qui s’éloignent les uns des
autres).

L’espace entre les étoiles et les galaxies est surtout constitué de vide. Le remplissage de l’univers par la
matière est essentiellement lacunaire.

2.2.L’infiniment petit.

a. l’atome

Toute la matière qui nous entoure est constituée d’atomes infiniment petits. Ils

sont assimilables à des sphères dont le rayon est de l’ordre de 10-10m.

Au collège, vous avez vu que l’atome est constitué : Doc.12. Schéma de l’atome
 D’un noyau chargé positivement, dont le rayon est de l’ordre de femtomètre

( 1 fm = 10-15 m).

 D’un nuage d’électrons chargés négativement. Le noyau est environ 100.000 fois plus petit que l’atome.

Entre les électrons et le noyau, il n’ y a rien. L’atome est essentiellement constitué de vide.
On dit que l’atome est lacunaire.

Les atomes peuvent s’assembler pour former des molécules, elles-mêmes pour former des cellules

b. Les molécules
Les atomes s’associent les uns aux autres pour former des molécules. Les petites molécules (H2, H2O, CO2……) ont
des dimensions de l’ordre du nanomètre (10-9 m).

c. Les cellules
Les cellules sont les éléments constitutifs des êtres vivants (cellule animales sont constituées de 3 parties :
noyau, cytoplasme et membranes).Les cellules sont constituées de molécules. Leurs dimensions sont de l’ordre
de 10-6 m soit 1 µm.

2.3.Structure lacunaire de la matière
Il existe une propriété commune à la structure infiniment petite et infiniment grande.
Par exemple : Entre le noyau d’un atome et les électrons, il y a le vide. De même entre les galaxies il y a le vide.

Il s’agit de la structure lacunaire.
Dans une telle structure, la matière est assez bien localisée dans certaines régions de l’espace et entre ces
zones où se concentre la matière il règne le vide ou le quasi vide.

2.4. Année lumière (a .l.)
L’année de lumière (noté a.l) est par définition la distance parcourue par la lumière dans le vide en une année,
à la vitesse de 3,0.108 m.s–1 . Il s’agit donc d’une unité de mesure de longueur.
1a.l. = 365 x 24 x 60 x 60 x 3,0.108 = 1,0.1016 m environ.
cette unité est adaptée au domaine de très grande distance comme l’astronomie.
La lumière reçue permet d’observer l’objet tel qu’il était lorsqu’elle a été émise. Donc plus l’objet observé est
lointain, plus la lumière a voyagé longtemps pour arriver jusqu’à nous et plus nous remontons dans le passé.

Plus l’objet est éloigné, plus nous l’observons dans le passé.

Exemple la lumière du soleil met 8 minutes pour nous parvenir

Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand 49

Cours

L’essentiel du cours

L’univers observable s’étend de l’infiniment petit ou l’infiniment grand. L’Homme repousse les limites de son
champ d’observation. Pour repérer ses échelles de longueurs, il faut utiliser les puissances de 10
1. De l’infiniment grand à l’infiniment petit
a. Échelles de distance dans l’Univers
 L’écart de distance entre la limite de notre compréhension de l’infiniment petit (environ 10 -10 m) et la limite
de l’Univers observable (environ 10 24 m) est gigantesque : 40 ordres de grandeurs !
b. Structure lacunaire de la matière
99,9 % de la masse de l’atome est concentré dans son noyau, lequel est environ 10 fois plus petit que
l’atome lui-même. Le Soleil quant à lui concentre 99,9 % de la masse du système solaire alors qu’il est
environ 107 fois plus petit que le système solaire lui-même. C’est pourquoi l’on dit que l’Univers a une
structure lacunaire : il est essentiellement constitué de vide.
2. La lumière dans l’Univers
 Rappel : La lumière est une onde électromagnétique qui se propage dans le vide en ligne droite et à la
vitesse c = 3,00×108 m.s-1.
a. L’année-lumière
 L’année-lumière (symbole : a.l.) est une unité de longueur adaptée au domaine astronomique : 1 a.l. de
l’ordre de 1016 m.
Une année-lumière (1 a.l.) est la distance parcourue par la lumière, dans le vide, en une année.
b. « Voir loin, c’est voir dans le passé »
 La lumière se propage très vite mais pas instantanément. Ainsi, plus un objet est éloigné, plus la durée du
trajet parcouru par la lumière qu’il nous envoie est longue : ce que l’on voit aujourd’hui appartient au passé.

50 Chapitre 3 : De l’’infiniment petit à l’infiniment grand