◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- citer la composition d'un atome : protons, neutrons, électrons ;
- utiliser l'écriture conventionnelle \({}^{A}_{Z}\text{X}\) pour trouver la composition d'un atome ;
- calculer la masse d'un atome et la charge de son noyau ;
- comparer les ordres de grandeur des tailles de l'atome et du noyau ;
- écrire la configuration électronique d'un atome (\(Z \le 18\)) et repérer ses électrons de valence ;
- relier la position d'un élément dans le tableau périodique à sa configuration.
Ce que je dois déjà savoir
- (collège) un atome est formé d'un noyau et d'électrons ;
- (collège) la matière est faite d'atomes, de molécules et d'ions ;
- (chapitre 1) les ordres de grandeur et l'écriture scientifique \(a\times10^{n}\) ;
- (maths) calculer avec les puissances de dix : \(10^{-10} \div 10^{-15} = 10^{5}\).
?Point de départ : une feuille d'or presque transparente
En 1909, à Manchester, l'équipe d'Ernest Rutherford bombarde une feuille d'or très fine (quelques milliers d'atomes d'épaisseur) avec des particules alpha, chargées positivement. Le modèle de l'époque (celui de Thomson) décrit l'atome comme une boule pleine de charge positive où sont piqués les électrons, « comme des raisins dans un pudding ». Avec ce modèle, les particules devraient toutes traverser la feuille en étant à peine déviées.
Presque toutes les particules traversent la feuille sans être déviées. Mais environ une sur dix mille est fortement déviée, et certaines rebondissent vers l'arrière. Rutherford dira : « C'est aussi incroyable que si vous tiriez un obus sur une feuille de papier et qu'il revenait vous frapper. »
Comment interpréter ces deux observations à la fois ? La partie 3 donne la réponse, et la simulation permet de refaire l'expérience.
1Composition de l'atome
Un atome est formé de deux parties : un noyau très petit au centre, et des électrons qui se déplacent autour. L'ensemble des électrons s'appelle le cortège électronique.
- Le noyau contient des protons (chargés positivement) et des neutrons (sans charge électrique). Protons et neutrons sont appelés nucléons.
- Les électrons, chargés négativement, forment le cortège électronique.
| Particule | Où ? | Masse (kg) | Charge électrique (C) |
|---|---|---|---|
| Proton | noyau | \(m_p = 1{,}673\times10^{-27}\) | \(+e = +1{,}602\times10^{-19}\) |
| Neutron | noyau | \(m_n = 1{,}675\times10^{-27}\) | \(0\) |
| Électron | cortège | \(m_e = 9{,}109\times10^{-31}\) | \(-e = -1{,}602\times10^{-19}\) |
1. Proton et électron ont des charges opposées de même valeur \(e\), appelée charge élémentaire : \(e = 1{,}602\times10^{-19}\ \text{C}\) (le coulomb, C, est l'unité de charge électrique).
2. Un proton est environ 1 800 fois plus lourd qu'un électron : \(\dfrac{m_p}{m_e} = \dfrac{1{,}673\times10^{-27}}{9{,}109\times10^{-31}} \approx 1{,}84\times10^{3}\). Protons et neutrons ont presque la même masse.
Simulation — Construire un atome
Ajoute ou retire des protons, des neutrons et des électrons. Observe le nom de l'élément, son écriture conventionnelle, sa charge et la répartition des électrons.
Le schéma n'est pas à l'échelle : en réalité, le noyau serait environ 100 000 fois plus petit que l'atome, donc invisible. Les cercles représentent les couches électroniques \(n = 1, 2, 3\) (partie 5), pas des trajectoires.
2Écriture conventionnelle et élément chimique
Pour décrire un noyau en quelques caractères, les chimistes utilisent deux nombres :
- Le numéro atomique \(Z\) est le nombre de protons du noyau.
- Le nombre de masse \(A\) est le nombre de nucléons (protons + neutrons) du noyau.
- X
- symbole chimique de l'élément (C, O, Na…)
- \(Z\)
- numéro atomique = nombre de protons (en bas à gauche)
- \(A\)
- nombre de masse = nombre de nucléons (en haut à gauche)
Nombre de neutrons : \(N = A - Z\). Dans un atome (électriquement neutre), le nombre d'électrons est égal à \(Z\).
Pour l'atome de sodium \({}^{23}_{11}\text{Na}\) : \(Z = 11\) protons ; \(A = 23\) nucléons ; \(N = 23 - 11 = 12\) neutrons ; et 11 électrons puisque l'atome est neutre.
Élément chimique
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique \(Z\). Tous les atomes et tous les ions qui ont le même nombre de protons appartiennent au même élément.
Ainsi \({}^{12}_{6}\text{C}\), \({}^{13}_{6}\text{C}\) et \({}^{14}_{6}\text{C}\) appartiennent tous à l'élément carbone : ils ont 6 protons, mais respectivement 6, 7 et 8 neutrons. Des atomes de même \(Z\) et de \(A\) différents sont appelés isotopes. Le carbone 14, radioactif, sert à dater des vestiges (chapitre 14).
C'est le nombre de protons, et non le nombre de neutrons ou d'électrons, qui fixe l'identité d'un élément. Un atome de carbone qui perd un électron reste du carbone (il devient un ion).
3Masse et dimensions : un atome presque vide
La masse de l'atome est concentrée dans le noyau
Les électrons sont si légers que leur masse est négligeable devant celle des nucléons. Comme protons et neutrons ont presque la même masse, on retient une valeur unique :
- \(m_{\text{atome}}\)
- masse de l'atome, en kilogrammes (kg)
- \(A\)
- nombre de masse (sans unité)
- \(m_{\text{nucléon}}\)
- masse d'un nucléon, en kg
\(m = 12 \times 1{,}67\times10^{-27} = 2{,}00\times10^{-26}\ \text{kg}\). Ses 6 électrons pèsent \(6 \times 9{,}11\times10^{-31} = 5{,}47\times10^{-30}\ \text{kg}\), soit environ 0,03 % de la masse totale : on peut les négliger.
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome
Ordre de grandeur du rayon d'un atome
soit un dixième de milliardième de mètre.
Ordre de grandeur du rayon d'un noyau
soit 100 000 fois plus petit : \(\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5}\).
Entre le noyau et les électrons, il n'y a rien : du vide. On dit que la matière a une structure lacunaire. Si le noyau avait la taille d'une bille de 1 cm, l'atome aurait un diamètre d'environ 1 km.
Retour à Rutherford. Puisque l'atome est presque vide, la plupart des particules alpha traversent la feuille d'or sans rien rencontrer. Les rares particules qui passent très près d'un noyau, minuscule mais très chargé positivement, sont violemment repoussées : elles sont fortement déviées, voire renvoyées. Les deux observations s'expliquent.
Simulation — Refaire l'expérience de Rutherford
Des particules alpha (points jaunes) sont envoyées sur une feuille d'or vue en coupe. Compare les deux modèles d'atome.
Les noyaux (points rouges) sont dessinés beaucoup trop gros et les fortes déviations sont bien plus fréquentes que dans la réalité (environ 1 sur 10 000), pour qu'on puisse les voir. Laisse tourner la simulation : les particules renvoyées (> 90°) sont rares. Avec le modèle de Thomson, aucune particule n'est renvoyée : ce modèle ne peut pas expliquer l'expérience.
4La neutralité électrique de l'atome
Charge du noyau : \(Q_{\text{noyau}} = Z \times e\) ; charge du cortège électronique : \(Q_{\text{électrons}} = -Z \times e\) pour un atome.
Un atome contient autant d'électrons que de protons : il est électriquement neutre.
Si un atome perd ou gagne des électrons, il n'est plus neutre : il devient un ion. Par exemple, l'ion sodium \(\text{Na}^{+}\) a 11 protons mais 10 électrons. Les ions seront étudiés au chapitre 6.
Noyau de l'atome d'oxygène (\(Z = 8\)) : \(Q = 8 \times 1{,}602\times10^{-19} = 1{,}282\times10^{-18}\ \text{C}\). Ses 8 électrons portent au total \(-1{,}282\times10^{-18}\ \text{C}\).
5Le cortège électronique : couches et sous-couches
Les électrons d'un atome ne sont pas tous équivalents. On les répartit en couches numérotées \(n = 1, 2, 3, \dots\) : plus \(n\) est grand, plus les électrons sont en moyenne loin du noyau. Chaque couche contient une ou plusieurs sous-couches, notées s et p.
| Couche | Sous-couches | Nombre maximal d'électrons |
|---|---|---|
| \(n = 1\) | 1s | 2 |
| \(n = 2\) | 2s et 2p | 2 + 6 = 8 |
| \(n = 3\) | 3s et 3p (pour \(Z \le 18\)) | 2 + 6 = 8 |
Une sous-couche s contient au maximum 2 électrons ; une sous-couche p au maximum 6. On remplit les sous-couches dans cet ordre, chacune complètement avant de passer à la suivante :
La configuration électronique s'écrit en indiquant en exposant le nombre d'électrons de chaque sous-couche.
- Carbone (\(Z = 6\)) : \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^2\) (2 + 2 + 2 = 6 électrons)
- Sodium (\(Z = 11\)) : \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^1\) (2 + 2 + 6 + 1 = 11)
- Chlore (\(Z = 17\)) : \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^6\,3\text{s}^2\,3\text{p}^5\) (2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17)
Les électrons de valence sont les électrons de la dernière couche occupée (celle de plus grand \(n\)). Ce sont eux qui interviennent dans les transformations chimiques. Les autres sont des électrons de cœur.
Pour le chlore, la dernière couche est \(n = 3\) : \(3\text{s}^2\,3\text{p}^5\), donc 2 + 5 = 7 électrons de valence.
Les électrons de valence sont ceux de toute la dernière couche (s et p), pas seulement ceux de la dernière sous-couche. Pour le carbone \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^2\) : 4 électrons de valence, pas 2.
6Le tableau périodique des éléments
En 1869, Dmitri Mendeleïev range les éléments connus par masse croissante et remarque que des propriétés chimiques semblables reviennent périodiquement. Il les dispose en lignes et en colonnes, en laissant des cases vides pour des éléments encore inconnus, dont il prédit les propriétés. Le tableau actuel range les éléments par numéro atomique \(Z\) croissant.
Tous les éléments d'une même ligne ont leurs électrons de valence sur la même couche. Le numéro de la période est le numéro \(n\) de la dernière couche occupée.
Les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons de valence. Ils ont des propriétés chimiques semblables : ils forment une famille.
| Famille | Colonne | Électrons de valence | Propriété marquante |
|---|---|---|---|
| Alcalins (Li, Na, K…) | 1 (sauf H) | 1 | métaux très réactifs avec l'eau |
| Halogènes (F, Cl, Br…) | 17 | 7 | très réactifs, forment des ions négatifs |
| Gaz nobles (He, Ne, Ar…) | 18 | 8 (2 pour He) | très peu réactifs, existent sous forme d'atomes isolés |
Pour les trois premières périodes : colonnes 1 et 2 → 1 et 2 électrons de valence ; colonnes 13 à 18 → colonne − 10 électrons de valence (13 → 3, …, 18 → 8). L'hélium fait exception : il est placé en colonne 18 avec ses gaz nobles cousins, mais n'a que 2 électrons de valence (\(1\text{s}^2\), couche complète).
On distingue enfin le bloc s (colonnes 1 et 2 et l'hélium, dernière sous-couche remplie de type s) et le bloc p (colonnes 13 à 18, dernière sous-couche de type p).
Les 18 premiers éléments — clique sur une case
Clique sur un élément pour afficher sa configuration électronique, ses électrons de valence et sa position.
✎Méthode : de l'écriture conventionnelle à la position dans le tableau
Énoncé. Le soufre, présent dans les volcans, a pour noyau \({}^{32}_{16}\text{S}\). Donner la composition de l'atome, sa masse, sa configuration électronique, son nombre d'électrons de valence et sa position dans le tableau périodique.
!Erreurs fréquentes
\(A\) (en haut) est toujours supérieur ou égal à \(Z\) (en bas) : il compte les protons et les neutrons. Dans \({}^{35}_{17}\text{Cl}\), il y a 17 protons, pas 35.
Le nombre de neutrons est \(N = A - Z\), pas \(A\).
On calcule la masse d'un atome avec \(A\), pas avec \(A + Z\) (les électrons ne comptent presque pas).
« \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^8\) » est impossible : une sous-couche p contient au plus 6 électrons. Il faut passer à 3s.
Les électrons de valence sont ceux de la dernière couche : pour l'azote \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3\), il y en a \(2 + 3 = 5\), pas 3.
La somme des exposants d'une configuration doit toujours être égale au nombre d'électrons (\(Z\) pour un atome).
★L'essentiel
Composition
\(Z\) protons, \(N = A - Z\) neutrons, \(Z\) électrons (atome neutre). L'élément est défini par \(Z\).
Masse et taille
Rayon de l'atome \(\sim 10^{-10}\ \text{m}\), du noyau \(\sim 10^{-15}\ \text{m}\) : structure lacunaire.
Configuration (Z ≤ 18)
s : 2 électrons au maximum ; p : 6 au maximum. Valence = électrons de la dernière couche.
Tableau périodique
Période = numéro \(n\) de la dernière couche. Colonne = même nombre d'électrons de valence = même famille (alcalins, halogènes, gaz nobles).
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. Le noyau \({}^{27}_{13}\text{Al}\) contient :
2. Ce qui caractérise un élément chimique, c'est :
3. Le rayon d'un atome est environ :
4. La configuration électronique du magnésium (\(Z = 12\)) est :
5. Combien d'électrons de valence possède l'azote \(1\text{s}^2\,2\text{s}^2\,2\text{p}^3\) ?
6. Le fluor et le chlore sont dans la même colonne car :
→S'entraîner et expérimenter
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