Karamö, le prof virtuelLeçon 1 sur 5
Structure de l'atome
Je sais décrire un atome (noyau et électrons), lire la notation A Z X, compter ses particules et écrire sa répartition électronique en couches K, L, M.
- 45 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire la composition d'un atome et de son noyau
- Utiliser la notation symbolique pour trouver le nombre de protons, de neutrons et d'électrons
- Distinguer élément chimique, isotopes et ions
- Écrire la structure électronique d'un atome ou d'un ion (Z ≤ 18)
Avant de commencer : Savoir qu'une matière est faite d'atomes et de molécules, connaître les symboles chimiques usuels (H, C, O, Na, Cl, Al, Fe) et écrire une puissance de dix.
1Je découvre
Sékou habite à Kamsar, près de Boké. Chaque jour, il voit passer les trains chargés de bauxite, cette roche rougeâtre dont on extrait l'aluminium. Un soir, il demande à sa grande sœur Kadiatou, étudiante : « Si je coupe un morceau d'aluminium en deux, puis encore en deux, et encore, et encore… est-ce que je peux continuer sans fin ? »
Kadiatou sourit : « Non. Au bout d'un moment, tu arrives à un grain de matière qu'on ne peut plus partager sans changer de substance : c'est l'atome d'aluminium. Il est si petit qu'une feuille de papier d'aluminium de cuisine en contient des millions de milliards. »
Sékou insiste : « Et cet atome, il est plein ? Il est fait de quoi ? Et pourquoi l'atome d'aluminium n'est-il pas le même que celui du fer ou de l'oxygène ? »
De quoi un atome est-il constitué, et comment décrire précisément l'atome d'un élément donné ?
2Je comprends
1. Un atome : un noyau et des électrons
Un atome est la plus petite particule d'un élément chimique. Il est formé de deux parties :
- au centre, un noyau très petit et très lourd, chargé positivement ;
- autour du noyau, des électrons, particules très légères chargées négativement, qui se déplacent dans un espace appelé nuage électronique.
Le noyau lui-même est formé de deux sortes de particules, appelées ensemble les nucléons :
- les protons, chargés positivement ;
- les neutrons, électriquement neutres.
L'atome est surtout fait de vide : son diamètre est de l'ordre de 10-10 m, tandis que celui du noyau est de l'ordre de 10-15 m, soit environ cent mille fois plus petit. Si le noyau avait la taille d'une bille posée au centre d'un grand terrain de football, les électrons se déplaceraient bien au-delà des tribunes.
2. Charges et masses des particules
La charge élémentaire, notée e, vaut e = 1,6 × 10-19 C (coulomb).
| Particule | Symbole | Charge | Masse approchée |
|---|---|---|---|
| Proton | p | +e = +1,6 × 10-19 C | 1,67 × 10-27 kg |
| Neutron | n | 0 | 1,67 × 10-27 kg |
| Électron | e⁻ | -e = -1,6 × 10-19 C | 9,1 × 10-31 kg |
Deux remarques importantes :
- le proton et le neutron ont presque la même masse ; l'électron est environ 1 836 fois plus léger qu'un proton. Presque toute la masse de l'atome est donc dans son noyau ;
- un atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons. La charge positive du noyau compense exactement la charge négative des électrons.
3. La notation symbolique AZX
On représente le noyau d'un atome par la notation AZX où :
- X est le symbole de l'élément (Al pour l'aluminium, O pour l'oxygène…) ;
- 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).
On en déduit le nombre de neutrons : N = A - Z. Et, pour l'atome neutre, le nombre d'électrons est égal à Z.
Méthode
Pour décrire un atome à partir de sa notation A Z X :
- Je lis Z : c'est le nombre de protons.
- Je calcule le nombre de neutrons : N = A − Z.
- J'écris le nombre d'électrons : pour un atome neutre, il est égal à Z.
- Si on me le demande, je calcule la charge du noyau (Z × e) et la masse approchée de l'atome (A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg).
Exemple
Décrire l'atome d'aluminium ²⁷₁₃Al (l'aluminium tiré de la bauxite de Boké).
Z = 13 : le noyau contient 13 protons.
N = A − Z = 27 − 13 = 14 neutrons.
L'atome est neutre : il possède 13 électrons.
Charge du noyau : q = 13 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 2,08 × 10⁻¹⁸ C.
Masse approchée de l'atome (on néglige les électrons) :
m ≈ 27 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 45,09 × 10⁻²⁷ ≈ 4,51 × 10⁻²⁶ kg.
Nombre d'atomes dans 1 g = 10⁻³ kg d'aluminium :
10⁻³ ÷ (4,51 × 10⁻²⁶) ≈ 2,22 × 10²² atomes.
4. Élément chimique et isotopes
Ce qui caractérise un élément chimique, c'est son numéro atomique Z. Tous les atomes qui ont 6 protons sont des atomes de carbone ; tous ceux qui ont 8 protons sont des atomes d'oxygène, quel que soit leur nombre de neutrons.
Des isotopes sont des atomes qui ont le même nombre de protons (même Z, donc même élément) mais un nombre de neutrons différent (donc un A différent). Ils ont les mêmes propriétés chimiques.
Exemple
Les isotopes du carbone et du chlore.
Carbone : ¹²₆C (6 protons, 6 neutrons), ¹³₆C (6 protons, 7 neutrons) et ¹⁴₆C (6 protons, 8 neutrons).
Chlore : ³⁵₁₇Cl (17 protons, 18 neutrons) et ³⁷₁₇Cl (17 protons, 20 neutrons).
Ce sont bien des isotopes : même Z, A différent. Le sel de cuisine récolté sur la côte guinéenne contient ces deux sortes d'atomes de 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, notées K, L, M, N… (numéros n = 1, 2, 3, 4…).
Chaque couche contient au maximum 2n2 électrons :
| Couche | K (n = 1) | L (n = 2) | M (n = 3) |
|---|---|---|---|
| Nombre maximal d'électrons | 2 | 8 | 18 |
Règle de remplissage (pour Z ≤ 18) : on remplit les couches dans l'ordre K, puis L, puis M ; on ne commence une couche que lorsque la précédente est pleine. Pour les 18 premiers éléments, la couche M ne reçoit pas plus de 8 électrons.
La dernière couche occupée s'appelle la couche externe (ou périphérique). Ses électrons, les électrons externes, sont les plus importants en chimie : ce sont eux qui interviennent dans les réactions.
On écrit la structure (ou formule) électronique ainsi : (K)2 (L)8 (M)3 pour l'aluminium.
- 1Je lis Z : c'est le nombre d'électrons de l'atome neutre.
- 2Je place 2 électrons sur la couche K (ou 1 seul si Z = 1).
- 3Je place jusqu'à 8 électrons sur la couche L.
- 4Je place les électrons restants sur la couche M (8 au plus pour Z ≤ 18).
- 5Je vérifie que la somme des électrons est égale à Z.
Exemple
Structures électroniques de quelques atomes.
Hydrogène (Z = 1) : (K)¹.
Oxygène (Z = 8) : 8 électrons → (K)² (L)⁶. Vérification : 2 + 6 = 8.
Sodium (Z = 11) : (K)² (L)⁸ (M)¹. Vérification : 2 + 8 + 1 = 11.
Aluminium (Z = 13) : (K)² (L)⁸ (M)³. Couche externe M avec 3 électrons.
Chlore (Z = 17) : (K)² (L)⁸ (M)⁷. Couche externe M avec 7 électrons.
Argon (Z = 18) : (K)² (L)⁸ (M)⁸. Couche externe pleine.
6. Les ions monoatomiques
Un atome peut perdre ou gagner des électrons ; son noyau, lui, ne change pas. Il devient alors un ion :
- s'il perd des électrons, il a plus de protons que d'électrons : c'est un cation (ion positif), par exemple Na^+, Mg2+, Al3+ ;
- s'il gagne des électrons, c'est un anion (ion négatif), par exemple Cl^-, O2-.
Nombre d'électrons d'un ion = Z − (charge de l'ion). Ainsi Al3+ possède 13 - 3 = 10 électrons et Cl^- possède 17 - (-1) = 18 électrons.
Exemple
Structure électronique des ions Na⁺ et Cl⁻ (le sel NaCl).
Na (Z = 11) perd 1 électron : Na⁺ a 10 électrons → (K)² (L)⁸.
Cl (Z = 17) gagne 1 électron : Cl⁻ a 18 électrons → (K)² (L)⁸ (M)⁸.
Les deux ions ont une couche externe pleine de 8 électrons : c'est une structure très stable, que tu retrouveras dans les leçons suivantes.
- 11 protons
- 12 neutrons (pour ²³₁₁Na)
- 11 électrons
- (K)² (L)⁸ (M)¹
- charge totale nulle
- 11 protons
- 12 neutrons
- 10 électrons
- (K)² (L)⁸
- charge totale +e
3Je retiens
Je retiens
Un atome = un noyau (protons + neutrons = nucléons) entouré d'électrons ; il est électriquement neutre.
Charge élémentaire e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; proton : +e ; électron : −e ; neutron : 0.
Masse du proton ≈ masse du neutron ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; l'électron est environ 1 836 fois plus léger.
Notation ᴬ_Z X : Z = nombre de protons, A = nombre de nucléons, N = A − Z neutrons, Z électrons (atome neutre).
Un élément chimique est défini par Z ; des isotopes ont le même Z et des A différents.
Couches K, L, M : au plus 2, 8 et 18 électrons ; pour Z ≤ 18, on remplit K puis L puis M (8 au plus sur M).
Un ion est un atome qui a perdu (cation) ou gagné (anion) des électrons ; son noyau ne change pas.
4Erreurs fréquentes
- Confondre A et Z : Z (en bas) est le nombre de protons, A (en haut) le nombre de nucléons. Dans ²⁷₁₃Al, il y a 13 protons et 14 neutrons, pas 27 protons.
- Croire qu'un ion a un noyau différent : Na⁺ a toujours 11 protons ; il a seulement un électron de moins.
- Mettre 8 électrons sur la couche K ou commencer la couche M avant que L soit pleine : on remplit K (2), puis L (8), puis M.
- Dire que des isotopes sont des éléments différents : ¹²C et ¹⁴C sont tous deux du carbone, car ils ont le même Z.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète le tableau pour chaque atome neutre : nombre de protons, de neutrons et d'électrons.
126C ; 147N ; 2412Mg ; 3216S.
Voir le corrigéCacher le corrigé
- 126C : 6 protons, 12 - 6 = 6 neutrons, 6 électrons.
- 147N : 7 protons, 14 - 7 = 7 neutrons, 7 électrons.
- 2412Mg : 12 protons, 24 - 12 = 12 neutrons, 12 électrons.
- 3216S : 16 protons, 32 - 16 = 16 neutrons, 16 électrons.
2Exercice 2
Écris la structure électronique des atomes suivants et précise le nombre d'électrons externes : lithium (Z = 3), fluor (Z = 9), magnésium (Z = 12), phosphore (Z = 15), argon (Z = 18).
Voir le corrigéCacher le corrigé
- Li (Z = 3) : (K)2 (L)1 ; 1 électron externe.
- F (Z = 9) : (K)2 (L)7 ; 7 électrons externes.
- Mg (Z = 12) : (K)2 (L)8 (M)2 ; 2 électrons externes.
- P (Z = 15) : (K)2 (L)8 (M)5 ; 5 électrons externes.
- Ar (Z = 18) : (K)2 (L)8 (M)8 ; 8 électrons externes.
3Exercice 3
On considère les atomes 3517X, 3717Y et 4018W.
a) Donne la composition du noyau de chacun.
b) Lesquels sont des isotopes ? Justifie.
c) X et W ont-ils les mêmes propriétés chimiques ?
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) X : 17 protons et 35 - 17 = 18 neutrons. Y : 17 protons et 37 - 17 = 20 neutrons. W : 18 protons et 40 - 18 = 22 neutrons.
b) X et Y sont des isotopes : ils ont le même numéro atomique (Z = 17) mais des nombres de masse différents (35 et 37). Ce sont deux isotopes du chlore.
c) Non. X et W n'ont pas le même numéro atomique (17 et 18) : ce sont deux éléments différents, le chlore et l'argon. Les propriétés chimiques dépendent des électrons, donc de Z : elles sont différentes.
4Exercice 4
Pour chaque ion, donne le nombre de protons et d'électrons, puis sa structure électronique : Mg2+ (Z = 12) ; S2- (Z = 16) ; F- (Z = 9).
Voir le corrigéCacher le corrigé
- Mg2+ : 12 protons ; 12 - 2 = 10 électrons ; (K)2 (L)8.
- S2- : 16 protons ; 16 + 2 = 18 électrons ; (K)2 (L)8 (M)8.
- F- : 9 protons ; 9 + 1 = 10 électrons ; (K)2 (L)8.
5Exercice 5
(Type examen) Le noyau d'un atome X porte une charge q = 2,08 × 10-18 C. Son nombre de masse est A = 27. Donnée : e = 1,6 × 10-19 C ; masse d'un nucléon 1,67 × 10-27 kg.
a) Calcule le numéro atomique Z de X. De quel élément s'agit-il ? (Z = 13 pour l'aluminium.)
b) Donne la composition complète de l'atome.
c) Calcule la masse approchée de l'atome.
d) Écris sa structure électronique. Combien d'électrons l'atome doit-il perdre pour avoir une couche externe de 8 électrons ? Écris l'ion obtenu.
Voir le corrigéCacher le corrigé
a) La charge du noyau est q = Z × e, donc Z = qe = 2,08 × 10-181,6 × 10-19 = 13. L'élément est l'aluminium : X est l'atome 2713Al.
b) 13 protons, N = 27 - 13 = 14 neutrons et, l'atome étant neutre, 13 électrons.
c) m ≈ A × 1,67 × 10-27 = 27 × 1,67 × 10-27 = 4,51 × 10-26 kg (la masse des électrons est négligeable).
d) (K)2 (L)8 (M)3. L'atome a 3 électrons externes. En perdant ces 3 électrons, sa couche externe devient la couche L, qui contient 8 électrons. On obtient l'ion aluminium Al3+, de structure (K)2 (L)8.
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6Je vérifie
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