Du macroscopique au microscopique : La constante d'Avogadro - Physique Chimie - Terminale S

Du macroscopique au microscopique : La constante d'Avogadro - Physique Chimie - Terminale S

Nous vous proposons un cours de Physique Chimie niveau Terminale S, rédigé par notre professeur, consacré à la constante d'Avogadro, notion incluse dans le chapitre "Énergie, matière et rayonnement".

En chimie, il est inconcevable de devoir étudier le comportement de chaque atome, molécule ou ion au niveau microscopique pour en déterminer le comportement du milieu à l'échelle macroscopique. Il est donc nécessaire de généraliser l'étude d'un milieu à un grand nombre de particules et ainsi faire le lien entre l'échelle microscopique et l'échelle macroscopique. Le nombre d'Avogadro est une constante utilisée pour relier ces deux échelles.

Téléchargez gratuitement ci-dessous ce cours de Physique Chimie pour le Bac S sur la constante d'Avogadro.

Du macroscopique au microscopique : La constante d'Avogadro - Physique Chimie - Terminale S

Le contenu du document

 

 

Prérequis

Connaitre la mole et la masse molaire, ainsi que la composition d'un atome et d'une molécule.

Objectifs

  • Comprendre et savoir utiliser la constante d'Avogadro
  • Extraire et exploiter des informations sur un dispositif expérimental permettant de visualiser les atomes et les molécules
  • Evaluer des ordres de grandeurs relatifs aux domaines microscopique et macroscopique

I. La constante d'avogadro

A. Définition

En chimie, que ce soit en étudiant des réactions mettant en jeu de petites ou grandes quantités de réactifs, on ne peut pas compter le nombre d'atomes ou de molécules contenus dans un échantillon de matière. Dans un gramme de matière, il y a des milliards et des milliards d'atomes. Le nombre d'Avogadro permet de déterminer ce nombre de particules en mesurant leur masse et ainsi faire le lien entre le monde microscopique des atomes et molécules et le monde macroscopique des grammes. Cependant, les nombres d'entités élémentaires mis en jeu sont si grands que les chimistes ont décidé de regrouper ces entités en « paquets » appelés mole pour faciliter le décompte. Ainsi le nombre d'Avogadro ou constante d'Avogadro est étroitement lié à la notion de mole.

Rappel sur la mole : Par convention, la mole a été définie comme le nombre d'atomes de carbone contenus dans 12 grammes de carbone 12 pur. Autrement dit, dans 12 grammes de carbone, il y a une mole d'atome de carbone. Lorsque l'on emploie la mole dans un système chimique quelconque, les entités élémentaires étudiées peuvent être des atomes, des molécules ou même des ions. L'unité de la mole est la mole de symbole : mol.

Définition - Constante d'Avogadro

Nombre d'entités élémentaires contenues par mole de ces mêmes entités. Cette constante de valeur approximative de 6,022 × 1023 a pour symbole NA, et son unité est le mol-1. Autrement dit, dans une mole de carbone, il y a 6,022 × 1023 atomes de carbone.

B. Détermination

La constante d'Avogadro correspond, à la base, au nombre d'atomes de carbone dans une mole de carbone. Par définition, cette dernière a une masse de 12 grammes ; et la masse d'un atome est pratiquement égale à celle de son noyau en raison de la masse négligeable des électrons. On peut donc retrouver le nombre d'atomes dans 12 grammes de carbone en divisant cette masse par la masse de nucléons composant un atome (6 protons et 6 neutrons).

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On obtient le nombre d'Avogadro noté NA

C. Formule associée

Tout comme la mole, la constante d'Avogadro est aujourd'hui un incontournable de la chimie en tant que constante apparaissant dans de nombreuses relations.

Comme présenté plus haut, elle est tout d'abord utilisée pour déterminer le nombre de molécules présentes dans un milieu chimique avec n le nombre de mole.

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Avogadro a beaucoup apporté à la chimie et notamment en 1811 lorsqu'il émit l'hypothèse de l'existence d'une proportionnalité, et donc d'une relation entre les volumes de gaz et leur nombre de molécules. Il avance entre autres que deux volumes égaux de gaz dans les mêmes conditions de température et de pression sont constitués du même nombre de molécules. C'est ce qui, plus tard, va donner naissance à la loi des gaz parfaits.

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Avec n le nombre de mole, T la température en Kelvin, P la pression en Pascal, V le volume en mètre cube et en enfin R la constante des gaz parfaits. Cette constante de 8,314 J/mol.K est directement obtenue de la constante d'Avogadro et de la constante de Boltzmann.

La constante d'Avogadro permet aussi de faire le lien entre la masse d'un échantillon macroscopique et la masse des atomes qui le constituent. Pour cela, il doit être associé à l'unité de masse atomique unifiée notée « u » utilisée pour exprimer la masse de particules. Elle est définie comme 1/12 de la masse d'un atome de carbone, soit la masse d'un nucléon, soit environ 1,67.10-24 g.

II. Observation des atomes et molécules

Nos yeux ne sont pas suffisamment puissants pour discerner les constituants du milieu microscopique tel que les molécules et les atomes. Pour étudier le comportement et la nature de ces derniers, les chercheurs ont recours à des outils adaptés.

La constante d'avogadro - Cours Physique Chimie Terminale S

A. Le microscope électronique à haute résolution

Un microscope électronique est un type de microscope qui envoie un faisceau d'électrons sur un échantillon pour en créer une image par transmission. Comparé aux microscopes optiques, les microscopes électroniques ont une meilleure résolution. Ils permettent d'observer des éléments de l'ordre de l'angström, contrairement aux microscopes optiques qui ne peuvent descendre sous le micromètre. La résolution et le grossissement plus grands du microscope électronique à haute résolution sont dus au fait que ces microscopes utilisent des faisceaux d'électrons dont la longueur d'onde est de l'ordre du picomètre avec une résolution de l'ordre de 0,1 nm, contrairement aux microscopes optiques utilisant la lumière visible.

B. Le microscope à effet tunnel

Le principe du microscope à effet tunnel est, pour simplifier, une pointe assez fine pour détecter les creux et les bosses de la surface à analyser. Un ordinateur ajuste en temps réel la hauteur de la pointe pour maintenir un courant constant et enregistre cette hauteur. L'effet tunnel intervient pour mesurer le courant provoqué par le passage d'électrons entre la surface de l'objet et la pointe. L'ensemble de ce procédé descriptif du microscope à effet tunnel permet d'établir le profil de la surface étudiée.

Récompensée par le prix Nobel de physique en 1986, cette invention a permis le développement des autres microscopes à champ proche, comme le microscope à force atomique.

C. Le microscope à force atomique

Le microscope à force atomique est utilisé dans le cas où l'échantillon est non-conducteur et donc ne permettant donc pas l'utilisation du microscope à effet tunnel. Il utilise alors les interactions interatomiques entre la pointe sonde du microscope et la surface à étudier. Cette technique permet d'analyser des zones de l'ordre du nanomètre et de mesurer des forces de l'ordre du nano-newton.

Aussi appelé AFM, ce microscope enregistre les interactions entre les atomes de la pointe et ceux de la surface à analyser (force de Van des Waals, force magnétique, force électrostatique ...).

Le petit + dans ta copie

Avec la loi des gaz parfaits, le piège réside dans les unités ! Il faut faire attention à bien convertir les grandeurs suivants les unités, et cela vous évitera de grosses prises de têtes...

Pour aller plus loin

Cherchez des clichés de microscopes puissants : vous vous rendrez compte de leur capacité et cela vous donnera une idée du monde microscopique ;)

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