Karamö, le prof virtuelLeçon 4 sur 16
Structure de l'atome
Je sais décrire la composition d'un atome, exploiter la notation A Z X, calculer la masse et la charge d'un noyau et écrire la répartition des électrons en couches K, L, M.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le noyau (protons, neutrons) et le nuage électronique
- Utiliser la notation symbolique A Z X pour dénombrer les particules
- Calculer la masse approchée d'un atome et la charge de son noyau
- Définir un élément chimique et des isotopes
- Écrire la structure électronique des atomes de Z = 1 à Z = 18
Avant de commencer : Les corps purs simples et composés (leçon précédente) ; les puissances de 10 et l'écriture scientifique ; la notion de charge électrique positive ou négative.
1Je découvre
La Guinée possède d'immenses réserves de bauxite, dans la région de Boké, et un grand gisement de fer dans les monts du Simandou. La bauxite contient de l'aluminium, le minerai du Simandou contient du fer. Pourtant, l'aluminium est un métal léger qui sert à fabriquer des marmites et des tôles, alors que le fer est lourd et sert à faire des rails et des barres à béton.
Fanta, élève de 11e à Boké, se pose une question simple : « Si on coupait un morceau d'aluminium en deux, puis encore en deux, et ainsi de suite, jusqu'où pourrait-on aller ? Et qu'est-ce qui fait qu'un atome d'aluminium n'est pas un atome de fer ? »
Les chimistes ont répondu à cette question en découvrant, entre la fin du XIXᵉ siècle et le début du XXᵉ siècle, que l'atome n'est pas une petite bille pleine : il possède une structure interne.
De quoi est fait un atome, et qu'est-ce qui distingue l'atome d'un élément de celui d'un autre élément ?
2Je comprends
1. Un noyau et des électrons
Un atome est formé :
- d'un noyau central, très petit, chargé positivement ;
- d'électrons, chargés négativement, en mouvement rapide autour du noyau. L'ensemble des électrons forme le nuage électronique (ou cortège électronique).
Le noyau contient deux sortes de particules, appelées nucléons :
- les protons, chargés positivement ;
- les neutrons, électriquement neutres.
| Particule | Charge | Masse |
|---|---|---|
| Proton | +e = +1,60 × 10-19 C | mp = 1,673 × 10-27 kg |
| Neutron | 0 | mn = 1,675 × 10-27 kg |
| Électron | -e = -1,60 × 10-19 C | me = 9,11 × 10-31 kg |
La quantité e = 1,60 × 10-19 C est la charge élémentaire. On retient mp ≈ mn ≈ 1,67 × 10-27 kg : un nucléon est environ 1 800 fois plus lourd qu'un électron.
2. Un atome est électriquement neutre
Un atome contient autant d'électrons que de protons. Les charges positives du noyau compensent exactement les charges négatives des électrons : l'atome est électriquement neutre.
3. La notation symbolique AZX
- X est le symbole de l'élément (Al, Fe, O…).
- Z est le numéro atomique (ou nombre de charge) : c'est le nombre de protons.
- A est le nombre de masse : c'est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
- Le nombre de neutrons est N = A - Z.
- Dans l'atome, le nombre d'électrons est égal à Z.
Exemple
L'atome d'aluminium ²⁷₁₃Al.
Z = 13 : le noyau contient 13 protons.
A = 27 : il contient 27 nucléons, donc N = 27 − 13 = 14 neutrons.
L'atome est neutre : il possède 13 électrons.
Charge du noyau : Q = Z × e = 13 × 1,60 × 10⁻¹⁹ = 2,08 × 10⁻¹⁸ C.
Masse approchée de l'atome : m ≈ A × mₙ = 27 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 4,51 × 10⁻²⁶ kg.
Masse des électrons : 13 × 9,11 × 10⁻³¹ ≈ 1,18 × 10⁻²⁹ kg, environ 3 800 fois plus petite : on la néglige.
4. Un atome presque vide
Le rayon d'un atome est de l'ordre de 10-10 m, celui de son noyau de l'ordre de 10-15 m : l'atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau. Si le noyau avait la taille d'un grain de mil posé au centre du stade du 28-Septembre, l'atome entier serait aussi grand que le stade : les électrons se déplaceraient jusqu'aux tribunes, à une centaine de mètres du centre. Presque toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau, et l'atome est essentiellement fait de vide : on parle de structure lacunaire. C'est ce qu'a montré en 1911 l'expérience de Rutherford : presque toutes les particules envoyées sur une mince feuille d'or la traversaient sans être déviées.
5. Élément chimique et isotopes
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z. Tous les atomes qui ont 13 protons sont des atomes d'aluminium ; tous ceux qui ont 26 protons sont des atomes de fer. C'est donc le nombre de protons qui distingue l'aluminium du fer : c'est la réponse à la question de Fanta.
Des isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents (même nombre de protons, nombres de neutrons différents). Ils appartiennent au même élément et ont les mêmes propriétés chimiques. Exemples :
- chlore : 3517Cl (18 neutrons) et 3717Cl (20 neutrons) ;
- carbone : 126C (6 neutrons) et 146C (8 neutrons), qui sert à dater des objets anciens ;
- hydrogène : 11H (0 neutron) et le deutérium 21H (1 neutron).
6. La répartition des électrons en couches
Les électrons se répartissent sur des couches (niveaux d'énergie) notées K, L, M… de plus en plus éloignées du noyau. Pour les atomes de Z = 1 à Z = 18, on applique les règles suivantes :
- la couche K contient au maximum 2 électrons ;
- la couche L contient au maximum 8 électrons ;
- la couche M contient au maximum 8 électrons (pour ces premiers éléments) ;
- on remplit d'abord K, puis L, puis M : une couche ne commence à se remplir que si la précédente est pleine.
La dernière couche occupée s'appelle la couche externe ; ses électrons sont les électrons de valence. Ce sont eux qui interviennent dans les réactions chimiques (leçon suivante).
| Atome | Z | Structure électronique | Électrons externes |
|---|---|---|---|
| Hydrogène H | 1 | (K)1 | 1 |
| Carbone C | 6 | (K)2(L)4 | 4 |
| Azote N | 7 | (K)2(L)5 | 5 |
| Oxygène O | 8 | (K)2(L)6 | 6 |
| Néon Ne | 10 | (K)2(L)8 | 8 |
| Sodium Na | 11 | (K)2(L)8(M)1 | 1 |
| Aluminium Al | 13 | (K)2(L)8(M)3 | 3 |
| Chlore Cl | 17 | (K)2(L)8(M)7 | 7 |
| Argon Ar | 18 | (K)2(L)8(M)8 | 8 |
Méthode
Pour exploiter la notation ᴬ_Z X et la structure électronique :
- Je lis Z : c'est le nombre de protons, et le nombre d'électrons de l'atome neutre.
- Je calcule le nombre de neutrons : N = A − Z.
- Pour la masse de l'atome : m ≈ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Pour la charge du noyau : Q = Z × 1,60 × 10⁻¹⁹ C.
- Je place les Z électrons : 2 sur K, puis 8 au maximum sur L, puis le reste sur M.
- Je compte les électrons de la dernière couche : ce sont les électrons de valence.
Exemple
Retrouver un élément à partir de la charge de son noyau.
Le noyau d'un atome porte une charge Q = 1,28 × 10⁻¹⁸ C, et l'atome contient 16 nucléons.
Z = Q / e = 1,28 × 10⁻¹⁸ / 1,60 × 10⁻¹⁹ = 8. C'est l'élément oxygène.
Notation : ¹⁶₈O. Neutrons : N = 16 − 8 = 8. Électrons : 8.
Structure électronique : (K)² (L)⁶ : 6 électrons de valence.
7. Les ions monoatomiques
Un atome peut perdre ou gagner des électrons ; son noyau, lui, ne change pas. Il devient un ion :
- un atome qui perd des électrons devient un cation (ion positif) : l'atome de sodium perd 1 électron et devient Na^+, qui a 11 protons et 10 électrons ;
- un atome qui gagne des électrons devient un anion (ion négatif) : l'atome de chlore gagne 1 électron et devient Cl^-, qui a 17 protons et 18 électrons.
Tu étudieras dans les deux prochaines leçons pourquoi ces échanges se produisent.
3Je retiens
Je retiens
Atome = noyau (Z protons + N neutrons) + Z électrons ; il est électriquement neutre.
Notation ᴬ_Z X : Z = nombre de protons ; A = nombre de nucléons ; N = A − Z.
e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C ; mₚ ≈ mₙ ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; mₑ = 9,11 × 10⁻³¹ kg.
Masse d'un atome : m ≈ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg. Charge du noyau : Q = Z × e.
L'atome (≈ 10⁻¹⁰ m) est environ 100 000 fois plus grand que son noyau (≈ 10⁻¹⁵ m) : structure lacunaire.
Élément chimique : défini par Z. Isotopes : même Z, A différents.
Couches : K (2 max), L (8 max), M (8 max pour Z ≤ 18), remplies dans l'ordre.
Cation : atome qui a perdu des électrons ; anion : atome qui en a gagné.
4Erreurs fréquentes
- Confondre A et Z : Z (en bas) est le nombre de protons ; A (en haut) est le nombre total de nucléons.
- Compter les électrons dans le nombre de masse : A ne compte que les protons et les neutrons.
- Remplir la couche M avant que L ait 8 électrons : pour le sodium (Z = 11), on écrit (K)²(L)⁸(M)¹ et non (K)²(L)⁷(M)².
- Croire qu'un ion a changé de nombre de protons : lors de la formation d'un ion, seul le nombre d'électrons change.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Complète le tableau (nombres de protons, neutrons, électrons) pour : 11H ; 126C ; 2311Na ; 3216S ; 5626Fe.
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| Atome | Protons | Neutrons | Électrons |
|---|---|---|---|
| 11H | 1 | 0 | 1 |
| 126C | 6 | 6 | 6 |
| 2311Na | 11 | 12 | 11 |
| 3216S | 16 | 16 | 16 |
| 5626Fe | 26 | 30 | 26 |
2Exercice 2
Écris la structure électronique et donne le nombre d'électrons de valence de : Li (Z = 3) ; Mg (Z = 12) ; P (Z = 15) ; S (Z = 16) ; Ar (Z = 18).
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- Li : (K)2(L)1 ; 1 électron de valence.
- Mg : (K)2(L)8(M)2 ; 2 électrons de valence.
- P : (K)2(L)8(M)5 ; 5 électrons de valence.
- S : (K)2(L)8(M)6 ; 6 électrons de valence.
- Ar : (K)2(L)8(M)8 ; 8 électrons de valence.
3Exercice 3
On considère l'atome de fer 5626Fe, présent dans le minerai du Simandou.
a) Calcule la charge de son noyau.
b) Calcule la masse approchée d'un atome de fer.
c) Combien d'atomes de fer y a-t-il, environ, dans un clou de 5,6 g ?
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a) Q = Z × e = 26 × 1,60 × 10-19 = 4,16 × 10-18 C.
b) m ≈ A × 1,67 × 10-27 = 56 × 1,67 × 10-27 = 9,35 × 10-26 kg.
c) Masse du clou : 5,6 g = 5,6 × 10-3 kg. Nombre d'atomes : 5,6 × 10-39,35 × 10-26 ≈ 6,0 × 1022 atomes.
4Exercice 4
Parmi les atomes suivants, repère les isotopes et justifie : 168X1 ; 178X2 ; 147X3 ; 146X4 ; 126X5.
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Des isotopes ont le même Z et des A différents.
- X1 et X2 (Z = 8, A = 16 et 17) sont des isotopes : ce sont deux atomes d'oxygène.
- X4 et X5 (Z = 6, A = 14 et 12) sont des isotopes : ce sont deux atomes de carbone.
- X3 et X4 ont le même A = 14 mais des Z différents (7 et 6) : ce ne sont pas des isotopes, ce sont deux éléments différents (azote et carbone).
5Exercice 5
(Synthèse) Un atome possède 3 électrons sur sa couche externe, qui est la couche M. Son noyau contient 14 neutrons.
a) Écris sa structure électronique et déduis-en son numéro atomique.
b) Calcule son nombre de masse et écris sa notation symbolique. Identifie l'élément.
c) Cet atome perd ses 3 électrons externes. Écris la formule de l'ion obtenu et donne sa structure électronique. À quel gaz rare ressemble-t-elle ?
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a) La couche externe est M avec 3 électrons, donc K et L sont pleines : (K)2(L)8(M)3. Nombre d'électrons : 2 + 8 + 3 = 13, donc Z = 13.
b) A = Z + N = 13 + 14 = 27. Notation : 2713Al : c'est l'aluminium.
c) L'ion est Al3+ (13 protons, 10 électrons). Sa structure est (K)2(L)8, la même que celle du néon.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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