Collège Jean Moulin

Les propriétés électriques des matériaux : Les métaux et les solutions aqueuses

1 Tous les solides sont ils conducteurs ?

Pour savoir si une matière est conductrice, on la place dans un circuit électrique. Conclusion : Les métaux sont conducteurs. Ils ne conduisent pas tous le courant de la même manière. Certains matériaux sont isolants pour de faibles énergies et sont conducteurs pour des énergies plus importantes (éclairs dans l’air).

2 Comment expliquer le passage du courant dans les métaux ?

A/ La structure de l’atome

 

Etude du texte :

De l’Antiquité à nos jours : Comment est constitué la matière ? Activité documentaire 3ème 450 avant JC, il y a presque 2500 ans, le philosophe grec Leucippe et son disciple Démocrite ont, les premiers, suggéré que toute matière était composée de particules infimes et invisibles à l’œil nu. Cette idée a sans doute germé en regardant les plages qu’ils avaient constamment sous les yeux : si on regarde une plage du haut d’une falaise il est impossible de savoir qu’elle est composée de petits grains ; pour s’en apercevoir il faut s’en approcher de très près, la matière c’est pareil : elle est constituée de petits grains mais à notre échelle il est impossible de s’en apercevoir. Démocrite appela atomos, qui signifie « insécables », les morceaux ultimes de la matière. Aristote conteste cette existence et propose que toute matière est composée de 4 éléments : l’eau, l’air, la terre et le feu. Cette conception perdura jusqu’au début du 19ème siècle. En 1805, l’anglais John Dalton annonce au monde l’existence des atomes. En 1881, J.J. Thomson découvre l’un des composants de l’atome. Il s’agit de particules élémentaires négatives appelées, en 1891, électrons. Au début du 20ème siècle, l’ambition des physiciens est de proposer un modèle de l’atome en précisant la répartition de la charge électrique à l’intérieur de celle-ci. En 1904, Thomson partant de l’idée que l’atome est électriquement neutre, pense qu’il doit contenir des charges positives qui doivent compenser les charges négatives des électrons. Il suppose que la charge positive est répartie dans un petit volume (une sphère) et qu’elle est parsemée d’électrons (pudding de Thomson). En 1910, Rutherford bombarde différents échantillons de matière (cuivre, or, argent) avec des particules et déduit de son expérience que la charge positive doit occuper un petit volume qu’il appelle noyau. Les dimensions du noyau sont de l’ordre de 10-15m (100 000 fois plus petit que l’atome). Il pense alors au modèle planétaire pour décrire un atome. En effet la masse du système solaire est essentiellement concentrée dans le Soleil tout comme celle de l’atome est concentrée dans le noyau. Il propose donc comme modèle un tout petit noyau chargé positivement et comportant l’essentiel de la masse de l’atome, autour duquel les électrons décrivent des orbites. Depuis d’autres modèles plus complexes ont permis d’expliquer de nombreux autres phénomènes. QUESTIONS : 1- A partir du texte, essaie de dessiner le modèle de l’atome proposé par JJ Thomson. 2- De la même façon, essaie de dessiner le modèle de l’atome proposé par Rutherford. 3- On dit que la matière est constituée principalement de vide. Justifie cette affirmation à partir du texte. 4- Quelle est la partie chargée positivement de l’atome ? 5- Quels sont les particules de l’atome chargées négativement µµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµµ Un atome est constitué d’un noyau autour duquel tournent des électrons, tous identiques, formant un cortège électronique. La taille de l’atome est de l’ordre de 0,1nm (nanomètre).

a) Le noyau

Il est situé au centre de l’atome. Sa taille est environ 100 000 fois plus petite que celle de l’atome. Toute la masse de l’atome est concentrée dans le noyau La charge électrique du noyau est positive. Le noyau est différent d’un atome à l’autre.

b) Les électrons

Ils tournent autour du noyau à très grande vitesse sur des trajectoires variables, plus ou moins éloignées du noyau. La masse de l’électron est environ 2 000 fois plus petite que celle du noyau de l’atome.

c) L’électroneutralité de l’atome

Le nombre de charges électriques positives, portées par le noyau, est égal au nombre de charges négatives, c’est à dire au nombre d’électrons. Un atome est donc électriquement neutre.

B- Le courant électrique dans les métaux

texte 

a- Les porteurs de charge dans les métaux

Le courant électrique qui traverse un conducteur correspond à un déplacement de porteurs de charges électriques. Dans les isolants, il n’y a pas de porteurs de charges.

b- Le modèle du courant dans les métaux

Dans les métaux, les porteurs de charge sont les électrons. Si il peut se décrocher de l’atome, on dit que l’électron est libre. Dans les métaux, les atomes ont des électrons libres qui peuvent passer d’un atome à l’autre. Lorsque le conducteur métallique n’est soumis à aucune tension, ses électrons libres se déplacent en tout sens. Lorsqu’il est soumis à une tension électrique, ses électrons libres ont un mouvement d’ensemble dans le même sens, de la borne négative du générateur vers sa borne positive : c’est le sens opposé au sens conventionnel du courant.

c- Conclusion

Le courant électrique dans les métaux est dû à un déplacement de charges négatives : les électrons.

3 Le courant dans les solutions aqueuses

1 Activité expérimentale : Les liquides sont-ils conducteurs d’électricité ?

On place,dans une cuve à électrolyse, différents liquide. Réaliser le circuit électrique comprenant un générateur de 6V, un ampèremètre et les 2 électrodes. Fais le schéma du montage (au crayon à papier) : Relever dans chaque cas l’intensité du courant électrique qui traverse le liquide.

 

 

 

 

L’intensité du courant est faible pour l’eau du robinet. Elle est plus importante pour l’eau salée et le sulfate de cuivre. L’eau du robinet est un mauvais conducteur électrique. L’eau salée et le sulfate de cuivre sont conducteurs d’électricité, ce sont des électrolytes.

2- Les porteurs de charge dans les solutions

Dans les solutions conductrices d’électricité, il existe des porteurs de charges positives et des porteurs de charges négatives : ce sont des ions positifs et des ions négatifs. Une solution conductrice est une solution ionique, électriquement neutre. Les ions positifs, les cations, sont des atomes ou des groupements d’atomes ayant perdu 1,2 ou 3 électrons. Exemples : l’ion sodium est un atome de sodium ayant perdu un électron. Par convention son symbole est : Na+. L’ion zinc est un atome qui a perdu 2 électrons. Son symbole est Zn2+. Les ions négatifs, les anions, sont des atomes ou groupements d’atomes qui ont gagné 1, 2 ou 3 électrons. Exemple : l’ion chlorure est un atome de chlore qui a gagné 1 électron. Son symbole est Cl-.

3- Le déplacement des ions dans les solutions (migration des ions)

Le courant électrique dans une solution aqueuse est dû à la double migration des cations (ions positifs) et des anions (ions négatifs) se déplaçant en sens inverse. Les anions sont attirés par la borne + Les cations sont attirés par la borne -