Karamö, le prof virtuelLeçon 2 sur 22
La structure de l'atome
Je sais décrire la composition d'un atome (noyau, protons, neutrons, électrons), lire la notation AZ X et répartir les électrons sur les couches K, L, M, N.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire le modèle de l'atome : un noyau chargé positivement entouré d'électrons
- Utiliser le numéro atomique Z et le nombre de masse A pour trouver les nombres de protons, de neutrons et d'électrons
- Expliquer pourquoi un atome est électriquement neutre et calculer une masse ou une charge
- Écrire la répartition électronique des 20 premiers éléments
Avant de commencer : L'atome et la molécule, les symboles chimiques (8e) ; les puissances de 10.
1Je découvre
À Boké, Mamadou visite avec sa classe un site où l'on charge la bauxite dans des wagons. Le guide explique que ce minerai rouge contient de l'aluminium, le métal des marmites et des tôles.
De retour en classe, le professeur écrit au tableau : 2713Al. Il dit : « Voici la carte d'identité de l'atome d'aluminium. Le 13 et le 27 vous disent tout ce qu'il y a à l'intérieur. »
En 8e, Mamadou a appris que toute matière est faite d'atomes, si petits qu'il en faut des milliards de milliards pour faire une simple pièce de monnaie. Il avait imaginé l'atome comme une petite bille pleine. Mais le professeur ajoute : « L'atome est presque entièrement vide ! »
De quoi un atome est-il fait, et que signifient les nombres écrits à côté de son symbole ?
2Je comprends
1. Le modèle de l'atome
Un atome est formé de deux parties :
- au centre, un noyau très petit, chargé d'électricité positive ;
- autour du noyau, des électrons, chargés d'électricité négative, qui se déplacent très vite. On représente souvent leur zone de mouvement comme un nuage électronique.
Le noyau est lui-même formé de particules appelées nucléons. Il en existe deux sortes :
- les protons, chargés positivement ;
- les neutrons, électriquement neutres (sans charge).
- Protons (charge +) et neutrons (neutres)
- Contient presque toute la masse de l'atome
- Taille de l'ordre de 10⁻¹⁵ m
- Électrons (charge −)
- Masse très faible
- L'atome entier mesure environ 10⁻¹⁰ m
2. Les particules de l'atome en chiffres
La plus petite charge électrique qui existe s'appelle la charge élémentaire, notée e : e = 1,6 × 10-19 C (coulomb).
| Particule | Charge | Masse |
|---|---|---|
| Proton | +e | mp = 1,67 × 10-27 kg |
| Neutron | 0 | mn ≈ 1,67 × 10-27 kg |
| Électron | -e | me = 9,1 × 10-31 kg |
Un électron est environ 1 800 fois plus léger qu'un proton. C'est pourquoi presque toute la masse de l'atome est concentrée dans son noyau.
L'atome est presque vide : son diamètre est environ 100 000 fois plus grand que celui du noyau. Si le noyau avait la taille d'une orange de 10 cm, l'atome entier aurait un diamètre de 10 × 100 000 = 1 000 000 cm, soit 10 km !
3. Numéro atomique Z et nombre de masse A
On écrit un noyau (ou un atome) sous la forme AZ X, où X est le symbole de l'élément.
- Z est le numéro atomique : c'est le nombre de protons du noyau. Il caractérise l'élément chimique : tous les atomes d'aluminium ont 13 protons, et tout atome qui a 13 protons est de l'aluminium.
- A est le nombre de masse : c'est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
- Le nombre de neutrons est donc N = A - Z.
Un atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons. Les charges + des protons compensent exactement les charges - des électrons.
Nombre d'électrons d'un atome = Z.
Exemple
Donner la composition de l'atome d'aluminium 2713Al.
- Z = 13 : le noyau contient 13 protons.
- A = 27 : il contient 27 nucléons.
- Neutrons : N = A − Z = 27 − 13 = 14 neutrons.
- L'atome est neutre : il possède 13 électrons.
Exemple
Calculer la masse approchée d'un atome d'aluminium et la charge de son noyau.
- La masse des électrons est négligeable. La masse de l'atome est à peu près celle de ses 27 nucléons :
m ≈ 27 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 45,09 × 10⁻²⁷ kg ≈ 4,5 × 10⁻²⁶ kg.
- Le noyau contient 13 protons, chacun de charge e :
q = 13 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 20,8 × 10⁻¹⁹ C = 2,08 × 10⁻¹⁸ C.
- Charge du nuage électronique : 13 électrons, soit −2,08 × 10⁻¹⁸ C. Au total, la charge de l'atome est nulle.
4. Les isotopes
Deux atomes qui ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents sont des isotopes : ils appartiennent au même élément, mais n'ont pas le même nombre de neutrons.
Exemple : 126C (6 neutrons) et 146C (8 neutrons) sont deux isotopes du carbone. De même, 3517Cl et 3717Cl sont deux isotopes du chlore.
5. La répartition des électrons en couches
Les électrons ne sont pas placés n'importe comment : ils se répartissent sur des couches électroniques de plus en plus éloignées du noyau, nommées K, L, M, N…
Chaque couche ne peut contenir qu'un nombre maximal d'électrons :
| Couche | K | L | M | N |
|---|---|---|---|---|
| Nombre maximal d'électrons | 2 | 8 | 18 | 32 |
Pour les 20 premiers éléments, on applique la règle suivante : on remplit d'abord K (2 électrons), puis L (8), puis M jusqu'à 8 électrons, puis on passe à N. La dernière couche occupée s'appelle la couche externe (ou périphérique) ; ses électrons sont les électrons périphériques.
On écrit la répartition ainsi : K2 L8 M1 pour le sodium.
Méthode
Pour écrire la répartition électronique d'un atome :
- Je cherche Z : c'est le nombre d'électrons de l'atome neutre.
- Je place 2 électrons sur K (ou 1 seul si Z = 1).
- Je place les suivants sur L, jusqu'à 8.
- Je place les suivants sur M, jusqu'à 8 (pour Z ≤ 20), puis sur N.
- Je vérifie que la somme des électrons est égale à Z et je repère la couche externe.
Exemple
Répartition électronique de l'oxygène (Z = 8), du chlore (Z = 17) et du calcium (Z = 20).
Oxygène : 8 électrons → K² L⁶. Vérification : 2 + 6 = 8. Couche externe L avec 6 électrons.
Chlore : 17 électrons → K² L⁸ M⁷. Vérification : 2 + 8 + 7 = 17. Couche externe M avec 7 électrons.
Calcium : 20 électrons → K² L⁸ M⁸ N². Vérification : 2 + 8 + 8 + 2 = 20. Couche externe N avec 2 électrons.
- 1Z = 11 : l'atome de sodium a 11 électrons.
- 2Couche K : 2 électrons (elle est pleine). Il en reste 9.
- 3Couche L : 8 électrons (elle est pleine). Il en reste 1.
- 4Couche M : 1 électron. Répartition : K² L⁸ M¹.
Ces couches et ces électrons périphériques sont très importants : ce sont eux qui expliquent la place des éléments dans le tableau périodique et leur façon de se combiner. Tu le verras dans les prochaines leçons.
3Je retiens
Je retiens
Un atome = un noyau (protons + neutrons = nucléons) entouré d'électrons.
Charge du proton : +e ; de l'électron : −e ; le neutron est neutre. e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
Z = nombre de protons (numéro atomique) ; A = nombre de nucléons (nombre de masse) ; N = A − Z neutrons.
L'atome est neutre : nombre d'électrons = nombre de protons = Z.
Presque toute la masse est dans le noyau ; l'atome est presque vide.
Isotopes : même Z, A différents.
Couches : K (2 max), L (8 max), M (18 max ; on s'arrête à 8 pour Z ≤ 20), puis N.
4Erreurs fréquentes
- Confondre Z et A : Z est le plus petit nombre, écrit en bas ; A est le plus grand, écrit en haut.
- Croire que A est le nombre de neutrons : A compte TOUS les nucléons ; les neutrons sont N = A − Z.
- Oublier que l'atome est neutre : le nombre d'électrons est égal à Z, pas à A.
- Mettre 9 électrons ou plus sur la couche M pour le potassium (Z = 19) : on écrit K² L⁸ M⁸ N¹, et non K² L⁸ M⁹.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète le tableau.
| Atome | Z | A | Protons | Neutrons | Électrons |
|---|---|---|---|---|---|
| 11H | |||||
| 168O | |||||
| 2311Na | |||||
| 4020Ca |
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| Atome | Z | A | Protons | Neutrons | Électrons |
|---|---|---|---|---|---|
| 11H | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| 168O | 8 | 16 | 8 | 8 | 8 |
| 2311Na | 11 | 23 | 11 | 12 | 11 |
| 4020Ca | 20 | 40 | 20 | 20 | 20 |
Neutrons : N = A - Z ; électrons : autant que de protons, car l'atome est neutre.
2Exercice 2
Écris la répartition électronique des atomes suivants et indique le nombre d'électrons périphériques : carbone (Z = 6), azote (Z = 7), magnésium (Z = 12), soufre (Z = 16), potassium (Z = 19).
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- Carbone : K2 L4 ; 4 électrons périphériques.
- Azote : K2 L5 ; 5 électrons périphériques.
- Magnésium : K2 L8 M2 ; 2 électrons périphériques.
- Soufre : K2 L8 M6 ; 6 électrons périphériques.
- Potassium : K2 L8 M8 N1 ; 1 électron périphérique.
3Exercice 3
Le noyau d'un atome contient 15 protons et 16 neutrons.
a) Donne Z et A.
b) Combien d'électrons possède l'atome ? Justifie.
c) Sachant que cet élément a pour symbole P (phosphore), écris sa notation AZ X.
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a) Z = nombre de protons = 15 ; A = protons + neutrons = 15 + 16 = 31.
b) L'atome est électriquement neutre : il a autant d'électrons que de protons, soit 15 électrons.
c) 3115P.
4Exercice 4
Parmi les noyaux suivants, lesquels sont des isotopes ? Justifie.
126X1 ; 147X2 ; 136X3 ; 146X4.
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Des isotopes ont le même Z et des A différents. X1, X3 et X4 ont Z = 6 et des nombres de masse différents (12, 13, 14) : ce sont trois isotopes du même élément (le carbone). X2 a Z = 7 : c'est un autre élément (l'azote), même s'il a le même A que X4.
5Exercice 5
(Type examen) L'atome de fer a pour notation 5626Fe.
Données : e = 1,6 × 10-19 C ; masse d'un nucléon 1,67 × 10-27 kg.
a) Donne la composition de cet atome.
b) Calcule la charge électrique de son noyau.
c) Calcule la masse approchée de l'atome. Pourquoi peut-on négliger la masse des électrons ?
d) Combien d'atomes de fer y a-t-il, environ, dans un clou de 5,6 g ?
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a) Z = 26 : 26 protons ; N = 56 − 26 = 30 neutrons ; l'atome est neutre : 26 électrons.
b) q = 26 × 1,6 × 10-19 = 41,6 × 10-19 C = 4,16 × 10-18 C.
c) m ≈ 56 × 1,67 × 10-27 = 93,52 × 10-27 kg ≈ 9,35 × 10-26 kg. On néglige les électrons car un électron est environ 1 800 fois plus léger qu'un nucléon : leur masse totale est très petite devant celle du noyau.
d) Masse du clou : 5,6 g = 5,6 × 10-3 kg.
Nombre d'atomes : 5,6 × 10-39,35 × 10-26 ≈ 0,60 × 1023 = 6,0 × 1022 atomes environ. Un simple clou contient environ soixante mille milliards de milliards d'atomes !
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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