L'atome

L'atome

Toute la matière est constituée d'atomes. On peut comparer un atome à une maison : le noyau correspond aux fondations, tandis que les électrons occupent les différentes pièces autour de celui-ci.

Pourtant, contrairement à ce que l'on pourrait croire, un atome est presque entièrement constitué de vide. Si l'on agrandissait le noyau jusqu'à la taille d'une balle de tennis placée au centre d'un stade de football, les premiers électrons se trouveraient près des gradins.

Cette organisation explique pourquoi la matière est essentiellement composée d'espace vide malgré son apparente solidité.

La structure de l'atome

Au centre de l'atome se trouve le noyau, qui contient presque toute sa masse. Il est constitué de :

•  protons : charge positive (+)

•  neutrons : aucune charge

Autour du noyau gravitent les électrons, chargés négativement (−).

Particule

Symbole

Charge

Masse (kg)

Proton

p⁺

+ e = +1,6 × 10⁻¹⁹ C

1,67 × 10⁻²⁷

Neutron

n

0

1,67 × 10⁻²⁷

Électron

e⁻

− e = −1,6 × 10⁻¹⁹ C

9,1 × 10⁻³¹

Deux conséquences essentielles de ce tableau :

•  L'électron est environ 1 800 fois plus léger qu'un nucléon. On considère donc que toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau.

•  Toutes les charges de la matière sont des multiples de la charge élémentaire e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

Ordres de grandeur à connaître

Objet

Taille

Atome

≈ 10⁻¹⁰ m (0,1 nm)

Noyau

≈ 10⁻¹⁵ m (1 fm)

Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome : c'est exactement l'image de la balle de tennis au milieu du stade.

Les ions

Un atome est neutre lorsque le nombre de protons est égal au nombre d'électrons.

S'il perd ou gagne des électrons, il devient un ion :

•  perte d'électrons → cation (+)

•  gain d'électrons → anion (−)

Le noyau n'est jamais modifié : un ion se forme uniquement en gagnant ou en perdant des électrons.

Exemple

Le sodium (Na) possède 11 protons et 11 électrons.

S'il perd un électron, il possède toujours 11 protons mais seulement 10 électrons : il devient Na⁺.

Ion

Protons

Électrons

Charge

Na⁺

11

10

+1

Ca²⁺

20

18

+2

Cl⁻

17

18

−1

O²⁻

8

10

−2

Le numéro atomique (Z)

Chaque élément chimique possède un nombre de protons qui lui est propre : le numéro atomique (Z).

C'est la véritable carte d'identité d'un atome. Comme un numéro de sécurité sociale identifie une personne, le numéro atomique identifie un élément chimique.

Élément

Z

H

1

C

6

N

7

O

8

Na

11

Cl

17

 

Si le nombre de protons change, l'élément change complètement.

Le nombre de masse (A)

Le nombre de masse correspond au nombre total de nucléons.

Nucléons = protons + neutrons.

A = Z + N

avec

•  A = nombre de masse (nucléons)

•  Z = nombre de protons

•  N = nombre de neutrons

Pour calculer le nombre de neutrons :

N = A − Z

La notation symbolique

On écrit un noyau sous la forme :

AZX

Le nombre de masse A se place en haut à gauche, le numéro atomique Z en bas à gauche.

Exemple : le carbone 12

126C

•  Z = 6

•  A = 12

•  N = 12 − 6 = 6

Le carbone possède donc 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons (s'il est neutre).

Les isotopes

Deux atomes d'un même élément peuvent avoir un nombre de neutrons différent : ce sont des isotopes.

•  Même Z (même élément, mêmes propriétés chimiques)

•  A différent (masse différente)

Analogie : deux voitures du même modèle, l'une avec le coffre vide, l'autre avec le coffre chargé. C'est la même voiture, mais pas la même masse.

Isotope

Z

A

N

Remarque

¹²C

6

12

6

98,9 % du carbone naturel

¹³C

6

13

7

1,1 %, stable

¹⁴C

6

14

8

radioactif — datation au carbone 14

³⁵Cl

17

35

18

75 % du chlore naturel

³⁷Cl

17

37

20

25 % du chlore naturel