La conduction électrique

Chapitre 2 : La conduction électriquePour faire la transition entre l'électricité et la chimie, voyons comment se fait la conductionélectrique dans les matériaux, solides ou liquides…I) Conduction dans un solide1) Quels solides conduisent le courant électrique?Reprenons une expérience de 5 ième . Bien distinguer un objet et un matériauUn matériau est une matière dans laquelle un objet est faitAct 1 p 22:Reprendre les métaux usuels étudiés dans le chapitre précédent (fer, zinc, cuivre, aluminium,argent et or) et pour la seconde expérience, prendre du verre, plastique, sucre, sel, sulfate decuivre.1) Avec une tige métallique, la lampe brille normalement et l'ampèremètre indique 98,4 mA2) Avec une tige en verre, la lampe ne brille pas et l'ampèremètre indique 0 mA3) Les métaux laissent passer le courant électrique, ce sont des matériaux conducteurs4) Les matériaux non métalliques ne laissent généralement pas passer le courant, ce sont desmatériaux isolants5) Conclusion: Tous les solides ne conduisent pas le courant électriqueOn distingue les matériaux: Conducteurs: ils laissent passer le courant électrique avec une faible résistance. Il ya les métaux mais aussi quelques rares autres matériaux comme le graphite. Isolants: ils ne laissent pas du tout passer le courant électrique, ce qui correspond àune résistance infiniment grandeRemarques: Il existe aussi des matériaux aux propriété particulières: Les supraconducteurs qui laissent passer le courant sans aucune résistance (voiractivité 2 p28) Les semi-conducteurs qui ne laissent passer le courant que lorsqu'on leur appliqueune tension extérieure. (activité 2 p 29). Ils servent alors d'interrupteur et sontutilisés en informatique pour la fabrication des processeurs Les mauvais conducteurs comme le corps humain, ils laissent passer le courantmais avec une résistance assez grande2) Interprétation de la conduction électrique dans les métauxActivité documentaire 1 p281) Les rayons observés par Crookes sont appelés cathodiques car c'est à la cathode (bornereliée au moins du générateur) qu'il observe une fluorescence du verre.2) Jean Perrin a montré que ces rayons étaient porteurs de charges négatives en 1895 enapprochant des objets électrisés. En approchant des objets chargés positivement, le rayon serapproche et en approchant un objet électrisé négativement, le rayon s'éloigne.En 1897, JJ Thomson prouve que ces rayons sont constitués de petites particules dont ilmesure la masse.3) L'émission d'électrons dans le tube de Crookes s'accompagne d'un rayonnementélectromagnétique intermittent de haute énergie appelé rayonnement X.Conclusion: La conduction électrique dans les métaux est dû à un déplacement d'électronsdans le métal. Les électrons (e - ) sont des particules chargées négativement© Eric Fourel, certifié de sciences physiques 2008

II) Conduction dans un liquide (solution aqueuse)1) Quelles solutions conduisent le courant électriqueLe courant peut aussi traverser les liquides. Nous aller étudier le cas des solutions aqueuses,c'est-à-dire des liquides constitués à partir d'eau.Prenons l'activité 2 p 23:1) avec de l'eau sucrée, distillée ou de l'éthanol, la lampe ne brille pas et l'ampèremètreindique 0 mA2) avec de l'eau salée, une solution aqueuse de sulfate de cuivre ou de l'eau du robinet, lalampe brille (pas avec l'eau du robinet) et l'ampèremètre indique une intensité de quelquesdizaines de mA.3) L'eau sucrée (ou distillée ou alcool) est une solution isolante4) L'eau salée ou la solution de sulfate de cuivre et dans une moindre mesure l'eau du robinetsont des solutions conductrices.5 Conclusion: Toutes les solutions ne conduisent pas le courant. On distingue: Des solutions isolantes telles que l'eau sucrée, l'alcool ou l'eau distillée. Cessolutions sont moléculaires, c'est-à-dire constituées de molécules uniquement (voircours de 4 ième ) Des solutions conductrices telles que l'eau du robinet, l'eau sale ou la solution desulfate de cuivre. Voyons maintenant de quoi sont constituées ces solutions.2) Interprétation de la conduction électrique dans les solutionsLes solutions moléculaires sont exclusivement constituées de molécules, électriquementneutres et donc incapables de conduire le courant électrique. Les solutions qui conduisent lecourant électrique doivent posséder des particules électriques capables de se déplacer. Or lesélectrons vus au paragraphe précédent ne sont pas contenus dans les solutions.Activité 3 p 241) La borne reliée au "+" est connectée avec un fil rouge (anode) et celle reliée au "-" estconnectée avec un fil noir (cathode). Le courant dans les fils va du "+" vers le "-"2) La tâche bleue va vers la borne "-" et la violette vers le "+". On peut aussi faire passer ducourant dans une solution de sulfate de cuivre et constater un dépôt de cuivre à la borne "-".3)Borne +Sens ducourantBorne –Sens des électrons4) Les ions qui se déplacent vers la borne + sont les ions de permanganate de potassium(négatifs) et les ions qui se déplacent vers la borne – sont les ions de sulfate de cuivre bleu(positifs).5) Conclusion: Les ions sont des particules contenues dans la solution. On l'appelle alorssolution ionique.* Les ions positifs se déplacent vers la borne – en sens inverse du sens des électrons* les ions négatifs se déplacent vers la borne + dans le même sens que les électrons© Eric Fourel, certifié de sciences physiques 2008

III) Constitution d'un atome1) Dimensions d'un atomeNous avons vu en 4 ième que la matière était constituée de molécules mais aussi d'atomes. Il enexiste une centaines de sortes (C, O, H, N…). Quelles sont ses dimensionsActivité 1 p 381) Dans un métal comme l'or, les atomes sont rangés et soigneusement alignés.2) Sur la figure 2, 10 atomes ont une longueur de 62 mm3) la distance entre deux rangées et à peu près équivalente au diamètre d'un atome4) nous savons donc le diamètre d'un atome sur le doc2 vaut 62/10=6,2 mmComme il est agrandi 13 millions de fois, le diamètre d'un atome vaut 13 millions de foismoins soit 6,2.10 -3 / 13.10 6 = 4,8.10 -1 .10 -3 .10 -6 = 4,8.10 -10 m5) Conclusion: un atome a un diamètre de quelques angströms soit quelques fois 10 -10 m.2) Constitution et neutralité électrique d'un atomeUne atome est électriquement neutre. Il est composé d'un noyau chargé d'électyricité positiveet d'électrons e - tournant autour de ce noyau.Comme l'atome est neutre, le nombre d'électrons tournant autour d'un noyau est égal aunombre de charges positives contenues dans celui-ciVoir exemples activité 3 p 40C'est le noyau et son nombre de charges positives qui indique à quelle espèce appartientl'atome (voir livre en 3 ième de couverture)Exemple: (choisi par les élèves pour montrer le caractère général de la situation)J'ai 25 charges positives dans mon noyau, j'appartiens à l'espèce manganèse MnSi je suis l'atome de manganèse, je suis neutre et je possède donc 25 électronse --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e --e -- e --Noyau deMn avec 25charges +e --e --e --e --e --e --e --e --Les atomes et molécules sont toujours neutresL'atome demanganèse© Eric Fourel, certifié de sciences physiques 2008

3) Formation d'un ionLes ions rencontrés au paragraphe précédent sont des particules chargées issues des atomes.Comment cela se passe-t-il?Activité 3 p 401) L'atome de sodium possède 11 électrons mais seulement 10 pour l'ion sodium. Les 2appartiennent à l'espèce sodium et possèdent donc 11 charges positives dans leur noyau2) L'atome de chlore possède 17 électrons mais 18 pour l'ion chlorure. Les 2 appartiennent àl'espèce chlore et possèdent donc 17 charges positives dans leur noyau3) Pour l'ion sodium, on fait 11-10= +1, il y a une charge positive.4) Pour l'ion chlorure, on fait 17-18 = -1, il y a une charge négative5) Les atomes ont donc le même nombre de charges + et – alors que les ions n'en ont pas lemême nombre. Du coup les ions ne sont pas neutres.6) symbole du sodium: Na et on indique en exposant la charge restante soit Na +symbole du chlore: Cl et on indique en exposant la charge restante soit Cl -7) Conclusion: Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons. Il n'est donc pasneutre.* si l'atome a perdu des électrons, il est chargé + et s'appelle un cation. On l'écrit avecle symbole de son espèce et le nombre de charges + en exposant* si l'atome a gagné des électrons, il est chargé - et s'appelle un anion. On l'écrit avecle symbole de son espèce et le nombre de charges - en exposant.Seuls les électrons et les ions sont chargés et sont donc capables de créer un courant électriqueVoir aussi l'activité 4 p 41Conclusion finale: Le courant électrique est dû: A un déplacement d'électrons dans le sens opposé au sens conventionnel ducourant dans un métal (ou un solide) A un double déplacement d'ions dans une solution aqueuse© Eric Fourel, certifié de sciences physiques 2008