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MATÉRIAUX ET ÉLECTRICITÉ

 

PLAN
           I.    Introduction
           II.   Histoire
           III. Constitution des atomes
           IV. Constitution des ions

 

I. Introduction

I. 1. Lucrèce et l'atomisme ou... jouons au sable !

Lucrèce (-99 ; - 55), poète et philosophe latin, expose dans son poème De la Nature (De natura rerum) la pensée du grec Épicure ('EpikoupoV) (-341 ; - 271) : l'atomisme. Pour l'illustrer, il va ... jouer au sable !

Expérience de Lucrèce
• Hypothèse
 Le sable et l'eau ont des comportements semblables. Des objets peuvent-ils "flotter" dans le sable ?...

Expérience
                     
Dans un récipient qui contient du sable, nous avons placé une balle de ping-pong au fond et un objet "lourd" comme un écrou en métal à la surface du sable.
Si nous attendons, rien ne se passe.
Nous tapons sur les parois afin de mettre les grains de sable en mouvement.

Phénomène observé
L'objet "lourd" coule alors que l'objet "léger" remonte à la surface.

 Expérience bis et phénomène observé
Plus le sable est fin et plus le phénomène est évident.

Conclusion
Les objets qui flottent sur l'eau flottent sur le sable en mouvement, et ceux qui coulent dans le sable coulent aussi dans l'eau.
Et si l'eau était constituée (à l'instar du sable) de minuscules "grains d'eau", invisibles et en mouvement ?...
Et si tout était constitué de petites billes dures, incassables : les ATOMES ?...
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Il faudra attendre l'Irlandais Boyle (1627-1691) et surtout l'Anglais Dalton (1766-1844) pour que l'idée d'atome réapparaissent en sciences.
(atomisme moderne : 06/09/1803)

I. 2. Thalès et l'électricité statique ou...  jouons au pendule !

Depuis l'Antiquité grecque, l'homme sait que certains matériaux frottés attirent de petits objets légers.
Ainsi, le philosophe grec Thalès de Milet (QalhV) décrit en -600 cette propriété sur un matériau particulier : l'ambre jaune (une résine fossile, cf. Jurassic Park) qui se nomme "électron" en grec (ήλεκτρον).
Cette propriété fut donc nommée : ÉLECTRICITÉ par l'Anglais Gilbert (1544-1603).
[William Gilbert fut le premier à distinguer l'attraction magnétique, ex. aimants, de l'attraction électrique, ex. petits papiers attirés par une règle en PS frotté ; pour le montrer, prenons une boussole : elle est déviée par un aimant mais pas par une règle en PS frottée, prenons des petits papiers, ils seront attirés par une règle en PS frottée mais pas par des aimants]

Expérience de Thalès modernisée

Chez soi : une brosse, un peigne, un pull en matière plastique attire parfois les cheveux (électricité statique).
En classe : frottez votre règle en PS, l'approcher de petits morceaux de papier (feuille réduite en miettes). Ceux-ci seront attirés par celle-là.

Au 18ème siècle, on s'aperçut même qu'il y avait 2 types d'électricité, en faisant des expériences comme la suivante.

Expérience d'électrisation des pendules

• Hypothèse
Y a-t-il plusieurs sortes d'électricités ?
(la question indique que nous acceptons l'hypothèse de l'existence de différentes sortes d'électricité)

Expérience et phénomènes observés

Nous frottons une tige d'ébonite avec de la fourrure.


Elle repousse une tige d'ébonite accrochée à un pendule.


Elle attire une tige de verre accrochée à un pendule.
Nous frottons une tige de verre avec du drap (ou un morceau de jeans en coton).
Elle repousse une tige de verre accrochée à un pendule.

Nous pouvons utiliser des matériaux autres que l'ébonite et le verre, comme le PVC et l'Altuglas.
Cette expérience est reproductible avec d'autres corps électrisés, c'est-à-dire qui ont généré (fabriqué, créé) de l'électricité statique en les frottant.

Conclusion
SI un seul type d'électricité existe, ALORS un seul comportement devrait avoir lieu.
OR
les matériaux utilisés dans l'expérience ont des comportements différents quand ils sont frottés : soit ils attirent, soit ils repoussent.
DONC il y a plus d'un type d'électricité.

En utilisant d'autres matériaux électrisables, nous retrouvons toujours le même comportement : soit une attirance, soit une répulsion.
Il n'existe donc que 2 types d'électricité.
Tous les matériaux frottés qui s'électrisent se comportent en effet :
     - soit comme du verre ;
     - soit comme de la résine (la résine... comme l'ambre jaune, de la résine fossile).

Charles de Cisternay Du Fay les nomma donc en 1733 "électricité vitreuse" et "électricité résineuse".
L'électricité vitreuse se produit sur du verre frotté avec du drap, ici sur l'Altuglas.
L'électricité résineuse se produit sur de la résine frotté avec de la fourrure ou de la laine, ici sur du PVC.

Maintenant que nous avons défini deux types d'électricité différentes, nous pouvons énoncer la loi suivante.

Deux corps chargés d'électricité de la même espèce se repoussent.
Deux corps chargés d'électricité d'espèces différentes s'attirent.
 
de la même espèce = de la même sorte, du même type


(dessins d'après une idée de Plantu)

Par rapport à tout cela, en 1747, Benjamin Franklin propose les termes d'électricité positive et d'électricité négative.

 

II. Histoire

 

II. 1. La modélisation : cœur de l'activité scientifique

Pour mieux comprendre et maîtriser le réel, vivre en harmonie avec son environnement et assurer le bien-être de tous, l'Homme élabore des schémas - qui sont une abstraction de la réalité - et des modèles.
Ces modèles doivent rendre compte (expliquer) de tous les phénomènes connus (ou expériences) et prédire ce qui va se passer (dans certaines conditions).
Mais il arrive qu'une expérience ne peut être expliquée par le modèle établi.
On recherche alors de nouveaux modèles qui expliquent cette expérience (et toutes les précédentes).

Exemple de schématisation
Une carte routière n'est pas la route avec tout le paysage, les arbres, les oiseaux, etc. C'est une abstraction de la route. Elle a une certaine utilité.
Mais ce n'est pas la route : ce n'est pas parce qu'une route est dessinée en rouge sur la carte qu'elle est rouge en réalité

Il en est de même pour les différents modèles de l'atome : ce ne sont pas les vrais atomes, mais ils décrivent de mieux en mieux l'atome.

 

II. 2. Thomson et le cookie

En 1902, Joseph J. Thomson (1856 - 1940) propose le modèle de l'atome fourré aux électrons.
Nous pouvons dire que ce modèle compare l'atome à un cookie avec des pépites de chocolat.
Thomson découvre en effet en 1897 que l'électricité négative est due à une minuscule particule : l'électron.
[pour l'anecdote "amusante", il fait cette découverte en travaillant sur des tubes cathodiques... ça ne devient amusant que quand on sait qu'un tube cathodique est ce qu'il y a derrière l'écran... de télévision ; télévision, Thomson :-)]
Quand on frotte certains matériaux électrisables, on va arracher des électrons : on enlève du moins (-), ce qui reste est donc plus (+).
Ce qui est plus (+) cherche à regagner des électrons perdus : il attire donc ce qui est moins (-).
Prenons le modèle du cookie.
Les électrons sont les pépites de chocolat, donc chargées négativement, et le reste du cookie est chargé positivement.
Si nous frottons le cookie, des pépites de chocolat partiront. Ce qui reste du cookie sera chargé positivement. Il attirera donc ce qui est chargé négativement. Imaginons maintenant un autre cookie recouvert de beaucoup de pépites de chocolat. Il sera attiré par le cookie qui a perdu ses pépites.
Ainsi, le modèle de Thomson explique comment les petits morceaux de papier sont attirés par une règle en PS frottée.

 

II. 3. Rutherford et le soleil, Bohr et la couleur

Mais le modèle de Thomson n'expliquait pas tout. Par exemple, il n'expliquait pas l'origine des couleurs différentes des atomes (et du coup des matériaux), pourquoi le sang est rouge ou des atomes de chlore colorent une flamme en vert.
Aussi, en 1911, Ernest Rutherford (1871 - 1937) avance le modèle de l'atome planétaire, perfectionné en 1913 par Niels Bohr (1885 - 1962).
C'est Rutherford qui prouva que dans l'atome, les charges négatives et positives sont séparées, que la charge d'électricité positive est concentrée dans le noyau.

[C'est l'expérience de diffusion de Rutherford qui le prouve : on bombarde une feuille d'or avec des particules chargées d'électricité positive, créées par radioactivité.
Si les atomes étaient comme des cookies, les particules chargées positivement ne devraient être ni attirées ni repoussées puisque dans le modèle du cookie, les charges sont compactes et s'annulent.
Or, il y a des particules qui sont déviées et même certaines qui vont en arrière (rétrodiffusion).
Elles sont repoussées par quelque chose qui a la même électricité qu'elle, donc quelque chose de chargé positivement : le noyau.
Rutherford propose donc avec un noyau central chargé positivement et des électrons chargés négativement qui tournent autour : un système solaire en miniature avec le soleil qui représente le noyau et les planètes les électrons.]

[Pour faire simple, disons que Bohr perfectionne le modèle de Thomson en  précisant que les orbites des électrons (appelées orbitales) ne sont pas n'importe où, et que, contrairement au système solaire, il peut y avoir plusieurs électrons sur la même orbitale : c'est le programme de seconde : 2 électrons maximum sur la 1ère série d'orbitale, aussi appelée couche, 8 maximum sur la 2ème, 8 sur la 3ème, etc.
Quand un électron est excité, il saute vers une orbitale plus éloignée, et quand il redescend vers son orbitale d'origine, il émet de la lumière d'une certaine couleur. Cette couleur dépend de la distance entre deux orbitales.]

 

II. 4. La physique quantique

Il restait encore des expériences inexpliquées, jusqu'à ce qu'en 1923, le prince Louis de Broglie (1892 - 1987) ouvre la voie du modèle toujours en vigueur.
A part la gravitation et la radioactivité, le modèle de la théorie quantique explique TOUS les phénomènes physiques.

 

II. 5. Le modèle du futur

Vos enfants ou petits-enfants apprendront peut-être le modèle qui expliquera les futures expériences inexpliquées...
[Certains physiciens et mathématiciens essaient par exemple de trouver un modèle qui englobent la physique quantique et la gravitation avec la relativité générale d'Einstein.]

 

III. Constitution des atomes

Au fur et à mesure du temps, on s'est rendu compte que [à l'exception des gaz rares : hélium, néon, argon, krypton...], tout (même nous) était constitué de molécules.
Ces molécules sont constituées elles-mêmes d'atomes.
A partir de la fin du 18ème siècle, on a commencé à essayer de trouver combien il y avait de types d'atomes différents sur Terre. Au 20ème siècle, la liste était terminée : tout ce qui existe sur Terre (même nous) est donc composée de seulement 90 types différents d'atomes (aussi appelée élément). [l'atome le plus lourd est l'uranium, élément n°92]
A partir de la fin du 19ème siècle, on s'est interrogé de savoir si l'atome était lui aussicomposé de quelque chose...
Thomson et Rutherford ont montré que oui : d'électrons et d'un noyau.
En 2de, vous verrez que ce noyau est lui-même constitué de quelque chose... et en Terminale vous irez même encore plus loin dans l'infiniment petit..
 

Toute matière est faite à partir d'atomes.
Les atomes sont des particules très petites et électriquement neutres,
constituées par un noyau chargé positivement et un ou plusieurs électrons chargés négativement.

Électriquement neutre signifie (=veut dire) que la charge électrique totale est nulle.
Pour s'en assurer, c'est très simple : touchez votre table... vous prenez une décharge ?... Non, elle est électriquement neutre.
Existe-t-il des objets qui donnent des décharges ?... (comme les fils des clôtures électriques à la campagne)
Oui. Exemple : la carrosserie d'une voiture qui a roulé par temps très sec : vous sortez de la voiture, vous la touchez et ... paf ! une petite décharge ! Autre exemple, la bouteille de Leyde : une bouteille où on enferme des charges électriques. On la touche et... paf ! ça décoiffe. Un grand jeu dans les salons du 18ème siècle. C'est le Hollandais Petrus Von Musschenbroek (1692 - 1761) qui l'inventa en 1746.
Mais comment cela se fait... -il ?...

IV. La constitution des ions

 

III. 1. Définition

Un ion est un atome ou un groupe d'atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

 

III. 2. En utilisant le modèle de Thomson ou les cookies à la rescousse

Reprenons le modèle de Thomson où l'atome est un cookie.
L'atome est électriquement neutre : il y a autant de charges positives (+) que de charges négatives (-).
Le corps du cookie représente les charges plus : il est plus ou moins gros.
Sur Terre, on trouve 90 types d'atomes différents (les éléments) : leur taille est différente. C'est comme s'il existait des cookies plus ou moins gros.
Les pépites de chocolat sur et dans le cookie représentent les électrons, de charge négative (-).
Chaque électron porte une charge négative (-) : il y a donc autant d'électrons, ou de (-) que de charges positives (+) dans le corps du cookie.
Logique : plus le cookie est gros, plus il a de pépites et inversement.
Quand il y a autant de moins que de plus, c'est un atome : le cookie entier.
Mais si on a arraché une ou plusieurs pépites de chocolat, le cookie n'est plus entier : on dira que c'est un ion.

Voilà pour les ions monoatomiques, c'est à dire formé à partir d'un seul (mono) atome.

Maintenant, nous pouvons imaginer, qu'à cause de la chaleur par exemple, plusieurs cookies se sont collés ensemble, à cause de quelques pépites qui ont fondues. Cela va former un groupe d'atomes, appelé molécule (notez au passage que les atomes sont liés entre eux par des électrons qu'ils ont mis en commun, les pépites fondues).
Dans ce groupe de cookies, toutes les pépites n'ont pas fondues. Il en reste que l'on peut enlever. Si on les enlève, cela formera également un ion.

 

III. 3. Charges des ions

Si on retire un (ou plusieurs) électron(s) d'un atome ou d'une molécule, on enlève de l'électricité négative : il restera de l'électricité positive.
Donc, quand on retire un ou plusieurs électrons à un atome ou une molécule, cela forme un ion positif (chargé positivement).

Au contraire, si on met un (ou plusieurs) électrons d'un atome ou d'une molécule, on ajoute de l'électricité négative.
Donc, quand on ajoute un ou plusieurs électrons à un atome ou une molécule, cela forme un ion négatif (chargé négativement).

Parfois, on trouve le terme de cation  pour ion positif (+, comme t avec une grande barre), et celui d'anion pour ion négatif (aNion, Négatif).

 

III. 4. Exemple du sel NaCl

Prenons l'exemple du sel de cuisine, ou chlorure de sodium.
La molécule de sel de cuisine, ou chlorure de sodium, est constituée d'un atome de sodium Na et d'un atome de chlore Cl (dites cé-el pas c- un comme certains élèves ☺).
(Na comme natrium, nom latin du natron, un corps qui contient beaucoup de sodium, on a donné le nom sodium plus tard quand on s'est rendu compte qu'il y avait du natrium dans la soude)

Quand nous mettons du sel dans l'eau, les atomes de la molécule de sel se séparent. Mais le sodium, Na, avant de se séparer, donne un électron à l'atome de chlore, Cl.
Donc, ils deviennent tous les deux des ions, l'un positif, le sodium : Na+ car il a donné un électron (on peut imaginer que c'est POSITIF de DONNER), et l'autre négatif, le chlore : Cl-, car il a reçu un électron.

Cela explique que quand on sèche de l'eau salée, le sel réapparaît.
En effet, les charges contraires s'attirent : donc, moins il y a d'eau, plus les ions sodium Na+, positifs, et les ions chlorures Cl-, négatifs, s'attirent.
Quand il n'y a plus d'eau, ils se remettent ensemble en partageant leur électron et forment à nouveau une molécule.
[émouvante cette liaison entre Na et Cl... ;-)]