Petit rappel : « Les atomes, c’est quoi encore ? »

Petit rappel : « Les atomes, c’est quoi encore ? »

Imagine-toi : tu te rends à vélo à une fête et pour éviter un accident, tu freines à fond avec ta bécane. Ta roue avant se bloque, mais ta roue arrière continue de tourner (merci la loi de Newton !). Ton vélo se retourne et tu fais un vol plané avant de cogner un mur en briques. Un peu sonné, ton esprit s'évade et tu te demandes : « comment se fait-il que j'arrive à fendre l'air, mais pas à traverser un mur en briques ? ».
Plusieurs générations de surdoués se sont heurtées à cette question. « La réponse est en rapport avec l'existence des atomes », ont-ils tous convenu. « Les atomes du muret sont plus solidaires les uns des autres que ceux des gaz constitutifs de l'air ». Mais quant à la nature des atomes en tant que tels, chacun y allait de sa théorie.
Revenons à la fête à laquelle tu te rendais à vélo et demandons leur avis aux autres invités. Imagine que ces invités soient de grands scientifiques disparus depuis des lustres. Tu arrives et tu leur pose la question: « Les atomes, c’est quoi en fait ? »

Différents modèles atomiques

« Les atomes se comportent comme des boules de billard », s’écrie John Dalton tandis qu'il s’installe à la table de billard. Les atomes sont comparables à une multitude de billes insécables de grande masse. La différence entre les atomes, c’est leur masse et leurs propriétés différentes. Le bois et le muret en briques se composent respectivement de billes indivisibles de nature distincte ».

Le silence gagne l'assistance. « Mon cher Dalton, vous ne m'en voudrez pas de rectifier le tir », intervient John Thomson, accoudé au buffet. Un atome ne ressemble nullement à une boule de billard, mais à un petit pain aux raisins ». 

Ce dernier se saisit d'un petit pain aux raisins juché au sommet d'une pyramide de viennoiseries. Je donne à ces particules négatives la dénomination d'électrons. Ces électrons sont comparables à ces raisins secs noyés dans la pâte du petit pain aux raisins et porteuse d'une charge positive ». « Regardez, nous avons une sphère porteuse d'une grande charge positive. Cette sphère est truffée de particules dont la charge est négative.

Ernest Rutherford émerge de la cuisine en riant. « Mon cher Thomson, je pense que vous faites également erreur ». Diverses expériences auxquelles je me suis livré montrent que la plupart des rayonnements traversent les atomes de part en part. Par conséquent, l'espace libre devrait être beaucoup plus important que ne le laisse supposer la comparaison avec le petit pain aux raisins. Selon moi, les atomes sont comparables à un brownie fraîchement sorti du four : le biscuit central est enveloppé d'un nuage de vapeur très parfumée. Le biscuit représente le noyau porteur d'une charge positive, tandis que la vapeur alentour correspond à l'espace dans lequel gravitent toutes les particules négatives ».

Soudain, une nouvelle voix s'échappe de la cuisine, où Niels Bohr est en train de découper des légumes pour la soupe. « Je pense que tu y es presque », clame-t-il. « Je suis convaincu qu'un atome se compose d'un noyau dont la charge est positive et que les électrons bougent autour de ce noyau en formant un grand nuage, mais selon moi, les électrons qui constituent ce nuage se répartissent en différentes couches, comme les pelures d'un oignon ».

« À condition que les pelures de ton oignon soient suffisamment éloignées les unes des autres et que l'espace vide ménagé entre elles soit considérable », intervient Rutherford, lequel entend réaffirmer que l'espace vide qui caractérise les atomes est important.

Qui a raison ?

Le banquet imaginaire s'évanouit. Tu es encore recroquevillé contre ce petit muret en briques. Alors tu prends ton smartphone pour trouver qui avait raison, et il s'avère que c’est Niels Bohr le grand gagnant: les atomes se composent d'un noyau porteur d'une charge positive tandis que les électrons gravitent autour de ce dernier tout en se répartissant sur plusieurs couches. Un peu à la manière des pelures d'un oignon, mais en ménageant un espace important entre les différentes couches.

Découvre cette vidéo en 2 parties qui explique l'histoire de la découverte de l'atome :

 

 

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La glace, l'eau et la vapeur

Les atomes peuvent se lier les uns aux autres pour former des groupes de molécules. Ces molécules forment à leur tour un réseau qui constitue la matière visible. Les corps sont différents en fonction de la nature des atomes et des molécules qui constituent ce réseau.

Mais pas si vite : la glace, l'eau et la vapeur se composent toutes de molécules de H2O. Alors pourquoi ces trois substances présentent-elles un aspect aussi différent ?

Elles le doivent à leur température bien entendu

C’est en effet en rapport avec la température, car lorsque le thermomètre descend au-dessous de 0 °C, l'eau liquide gèle. Si le thermomètre affiche plus de 100 °C, l'eau se transforme en vapeur. Mais pourquoi les variations de température sont-elles à l'origine du changement de forme de l'eau ?

Tout d'abord, il ne s'agit pas d'un changement de forme, mais d'un changement d'état. L'eau connaît plusieurs états (solide, liquide et gazeux) et les forces intermoléculaires qui s'exercent entre les molécules de H2O sont de moins en moins importantes lorsque l'eau passe successivement de l'état solide à l'état liquide puis gazeux.
Et les forces intermoléculaires, c’est quoi? Les molécules de H2O se caractérisent par la coexistence d'un ion positif et d'un ion négatif. La charge négative de l'une de ces molécules attire la charge positive d'une autre molécule et réciproquement. C'est ainsi que l'on observe une foule de liaisons intermoléculaires que l'on nomme ponts hydrogène qui font que l'eau se présente à l'état solide, liquide ou gazeux.

À quel moment l'eau devient-elle solide, liquide ou gazeuse ?

Si l'on maintient la température à un niveau suffisamment bas, les molécules constitutives de celle-ci se déplacent moins et les ponts hydrogène deviennent suffisamment résistants pour que l'eau se solidifie sous forme de glace. En cas d'élévation de la température, l'énergie dans la glace augmente et les différentes molécules commencent à se mouvoir davantage.  En raison de ces mouvements, un nombre croissant de liaisons hydrogène sont détruites et les molécules concernées peuvent beaucoup plus bouger. Au bout d'un certain temps, les molécules se répandent les unes sur les autres : la glace se transforme en eau liquide. Si l'on augmente encore la température, les molécules se séparent complètement les unes des autres : l'eau se mue en vapeur.

C'est à la solidité des liaisons intermoléculaires que les différents corps doivent leurs points de fusion et/ou d'ébullition distincts. Les ponts hydrogène dans l'eau sont relativement faibles, mais pour le fer par exemple, les forces présentes sont bien plus considérables : la température de fusion du fer s'élève à 1.500 °C et sa température d'ébullition à 2.700 °C!

Teste toi aussi les différents états de la matière en cliquant sur ce lien.

Petite vidéo sympa qui te plonge dans le monde merveilleux de la matière et de ses différents états :

Sais-tu qu’il est possible de produire une eau en surfusion ? C'est une eau qui ne gèle pas à des températures inférieures à 0 °C. Fais-en l’expérience toi-même : il suffit d'agiter un récipient rempli d'eau en surfusion ou d'en répandre le contenu pour assister à la formation immédiate de glace.
Regarde ce petit film, tu y arriveras peut-être : 

 

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