Constitution de l'atome

Introduction

Toute la matière qui t’entoure est faite d’atomes : il en existe une centaine de types différents, mais tous sont construits sur le même modèle. Comprendre la structure de l’atome, c’est comprendre pourquoi les éléments chimiques se comportent comme ils le font.

Dans ce chapitre, tu vas décrire l’atome, apprendre sa notation symbolique, et voir comment ses électrons se répartissent.

I. La structure de l’atome

Un atome est constitué de deux parties :

• un noyau central, formé de protons (chargés positivement) et de neutrons (sans charge) ;
• un cortège électronique : des électrons (chargés négativement) qui se déplacent autour du noyau.

Le proton et l’électron portent une charge électrique opposée, de même valeur, appelée charge élémentaire : e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.

Atome neutre. Un atome est électriquement neutre : il contient autant de protons que d’électrons.

L’atome est essentiellement constitué de vide. Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome (noyau ≈ 10⁻¹⁵ m, atome ≈ 10⁻¹⁰ m). Pourtant, presque toute la masse de l’atome est concentrée dans son noyau, car les électrons sont environ 2000 fois plus légers que les nucléons.

II. Numéro atomique, nombre de masse et notation

On caractérise un noyau par deux nombres entiers :

• le numéro atomique Z : c’est le nombre de protons du noyau (et donc aussi le nombre d’électrons si l’atome est neutre) ;
• le nombre de masse A : c’est le nombre de nucléons (protons + neutrons).

On en déduit le nombre de neutrons : N = A − Z.

Le noyau s’écrit avec une notation symbolique : le nombre de masse A en haut à gauche, le numéro atomique Z en bas à gauche du symbole de l’élément.

Exemple. Le noyau de carbone ¹²₆C contient Z = 6 protons et A = 12 nucléons, soit N = 12 − 6 = 6 neutrons. L’atome neutre possède 6 électrons.

Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z. Deux noyaux qui ont le même Z mais un nombre de neutrons différent (donc un A différent) sont des isotopes d’un même élément.

Exemple d’isotopes. ¹²₆C et ¹⁴₆C ont tous deux Z = 6 (ce sont des atomes de carbone), mais l’un a 6 neutrons et l’autre 8.

III. Le cortège électronique : la répartition en couches

Les électrons d’un atome se répartissent autour du noyau sur des couches électroniques, désignées par les lettres K, L, M…

Chaque couche ne peut contenir qu’un nombre maximal d’électrons : la couche K en contient au maximum 2, la couche L au maximum 8, la couche M au maximum 8 (pour les premiers éléments).

Règle de remplissage. On remplit d’abord la couche K, puis la couche L, puis la couche M.

La dernière couche occupée est la couche externe. Les électrons qu’elle contient sont les électrons de valence : ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques de l’atome.

Exemple. Le sodium (Z = 11) a 11 électrons, répartis ainsi : (K)² (L)⁸ (M)¹. Sa couche externe (M) porte 1 électron de valence.

IV. Des atomes aux ions

Un atome peut gagner ou perdre un ou plusieurs électrons : il devient alors un ion.

• s’il perd des électrons, il devient un cation (ion positif), comme Na⁺ ou Mg²⁺ ;
• s’il gagne des électrons, il devient un anion (ion négatif), comme Cl⁻ ou O²⁻.

Le noyau n’est pas modifié : seul le nombre d’électrons change.

L’essentiel à retenir

À retenir.

• L’atome = un noyau (protons + neutrons) + un cortège d’électrons ; il est neutre (autant de protons que d’électrons).
• Z = nombre de protons ; A = nombre de nucléons ; N = A − Z. Notation : ᴬ_Z X.
• Un élément chimique est défini par Z ; deux isotopes ont le même Z mais un A différent.
• Les électrons se répartissent sur les couches K (2), L (8), M (8), remplies dans l’ordre ; la couche externe porte les électrons de valence.
• Un atome qui perd ou gagne des électrons devient un ion (cation + ou anion −).

Exercices

Exercice 1 — Composition d’un atome

On considère l’atome d’aluminium de notation ²⁷₁₃Al.

1. Donne le numéro atomique Z et le nombre de masse A.
2. Combien cet atome contient-il de protons, de neutrons et d’électrons ?

Exercice 2 — Écrire la notation

Un noyau de fer contient 26 protons et 30 neutrons. Le symbole du fer est Fe.

1. Quel est son numéro atomique Z ?
2. Quel est son nombre de masse A ?
3. Écris sa notation symbolique.

Exercice 3 — Répartition des électrons

1. Établis la répartition des électrons (configuration en couches) de l’atome d’oxygène (Z = 8).
2. Établis celle de l’atome de magnésium (Z = 12).
3. Pour chacun, indique le nombre d’électrons de valence.

Exercice 4 — Isotopes

Voici quatre noyaux : ¹⁶₈A , ¹⁷₈B , ¹⁴₇C , ¹⁵₇D (A, B, C, D sont des symboles fictifs).

1. Quels noyaux sont des isotopes d’un même élément ? Justifie.
2. Combien de neutrons possède le noyau ¹⁷₈B ?

Exercice 5 — Formation d’un ion

L’atome de magnésium (Z = 12) perd 2 électrons.

1. L’ion obtenu est-il un cation ou un anion ?
2. Écris la formule de cet ion.
3. Le noyau de l’ion est-il différent de celui de l’atome de départ ?

Corrigés

Corrigé de l’exercice 1

1. Z = 13 et A = 27.
2. L’atome contient 13 protons (= Z), N = A − Z = 27 − 13 = 14 neutrons, et 13 électrons (atome neutre).

Corrigé de l’exercice 2

1. Z = 26 (nombre de protons).
2. A = 26 + 30 = 56 (protons + neutrons).
3. Sa notation est ⁵⁶₂₆Fe.

Corrigé de l’exercice 3

1. Oxygène (8 électrons) : (K)² (L)⁶.
2. Magnésium (12 électrons) : (K)² (L)⁸ (M)².
3. Électrons de valence (couche externe) : oxygène → 6 ; magnésium → 2.

Corrigé de l’exercice 4

1. ¹⁶₈A et ¹⁷₈B sont des isotopes (même Z = 8). De même, ¹⁴₇C et ¹⁵₇D sont des isotopes (même Z = 7). Des isotopes ont le même numéro atomique mais un nombre de masse différent.
2. ¹⁷₈B : N = A − Z = 17 − 8 = 9 neutrons.

Corrigé de l’exercice 5

1. En perdant des électrons, l’atome devient un cation (ion positif).
2. La formule de l’ion est Mg²⁺ (il a perdu 2 électrons, il porte 2 charges +).
3. Non : le noyau n’est pas modifié, seul le nombre d’électrons a changé.