Karamö, le prof virtuelLeçon 9 sur 16
L'atome
Je sais décrire la structure d'un atome (noyau, protons, neutrons, électrons), expliquer pourquoi il est électriquement neutre et utiliser son numéro atomique.
- 50 min
- 5 exercices corrigés
- 1 schéma
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Décrire l'atome : un noyau central et des électrons qui l'entourent
- Connaître la charge et la masse relative du proton, du neutron et de l'électron
- Expliquer la neutralité électrique de l'atome et utiliser le numéro atomique Z
- Avoir une idée des dimensions de l'atome et du noyau
Avant de commencer : Corps simples et corps composés, élément chimique (leçon 3) ; les puissances de 10.
1Je découvre
À Boké, Sékou regarde passer les trains chargés de bauxite. Il se demande : si l'on écrasait un grain de bauxite, puis encore et encore, jusqu'où pourrait-on aller ? Y a-t-il un morceau si petit qu'on ne pourrait plus le couper ?
Son professeur lui raconte qu'il y a très longtemps, un penseur grec, Démocrite, se posait déjà cette question. Il imaginait que la matière était faite de petits grains impossibles à couper, qu'il appelait « atomos », ce qui veut dire « qu'on ne peut pas couper ». Aujourd'hui, les savants ont montré que ces grains existent vraiment : ce sont les atomes. Mais ils ont aussi découvert qu'un atome contient des particules encore plus petites.
Tu as vu que les corps simples sont formés d'un seul élément et que l'eau contient les éléments hydrogène et oxygène. Mais qu'est-ce qu'un élément, à l'échelle la plus petite ?
De quoi est fait un atome, et pourquoi est-il électriquement neutre ?
2Je comprends
1. Toute matière est faite d'atomes
L'atome est la plus petite partie d'un élément chimique qui garde les caractéristiques de cet élément. Toute la matière (l'eau, l'air, les roches, le fer, notre corps) est formée d'atomes.
Les atomes sont extrêmement petits : on ne peut pas les voir, même avec un microscope ordinaire. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10-10 m, c'est-à-dire un dix-milliardième de mètre.
Chaque élément chimique correspond à une sorte d'atome : les atomes d'hydrogène, de carbone, d'oxygène, de fer, d'aluminium… Il existe 118 éléments connus.
2. La structure de l'atome
Un atome est formé de deux parties :
Le noyau, au centre. Il est minuscule et contient deux sortes de particules :
- les protons, qui portent une charge électrique positive ;
- les neutrons, qui sont électriquement neutres (sans charge).
Protons et neutrons sont appelés les nucléons (« particules du noyau »). Le noyau est donc chargé positivement.
Les électrons, qui tournent très vite autour du noyau et forment le nuage électronique. Chaque électron porte une charge électrique négative.
| Particule | Où se trouve-t-elle ? | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|---|
| Proton | dans le noyau | +e (positive) | environ 1,67 × 10-27 kg |
| Neutron | dans le noyau | 0 (neutre) | presque la même que le proton |
| Électron | autour du noyau | -e (négative) | environ 9,1 × 10-31 kg, soit environ 1 836 fois moins que le proton |
La charge e, appelée charge élémentaire, vaut e = 1,6 × 10-19 C (coulomb). Le proton et l'électron portent des charges égales en valeur mais de signes contraires.
3. Le numéro atomique Z
Le nombre de protons du noyau s'appelle le numéro atomique. On le note Z. C'est lui qui définit l'élément : tous les atomes qui ont 6 protons sont des atomes de carbone ; tous ceux qui ont 8 protons sont des atomes d'oxygène.
| Élément | Z (protons) | Électrons |
|---|---|---|
| Hydrogène | 1 | 1 |
| Carbone | 6 | 6 |
| Azote | 7 | 7 |
| Oxygène | 8 | 8 |
| Sodium | 11 | 11 |
| Aluminium | 13 | 13 |
| Soufre | 16 | 16 |
| Fer | 26 | 26 |
4. L'atome est électriquement neutre
Un atome contient autant d'électrons que de protons. La charge positive du noyau (+Ze) et la charge négative des électrons (-Ze) se compensent exactement : l'atome est électriquement neutre.
Exemple
L'atome d'oxygène a pour numéro atomique Z = 8. Combien a-t-il d'électrons ? Quelle est la charge de son noyau ?
Z = 8 : le noyau contient 8 protons.
L'atome est neutre : il a autant d'électrons que de protons, donc 8 électrons.
Charge du noyau : 8 × e = 8 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 12,8 × 10⁻¹⁹ = 1,28 × 10⁻¹⁸ C.
Charge des électrons : −1,28 × 10⁻¹⁸ C. La somme est nulle : l'atome est neutre.
Exemple
Le noyau d'un atome d'aluminium contient 13 protons et 14 neutrons. Combien de nucléons et d'électrons possède cet atome ?
Nucléons = protons + neutrons = 13 + 14 = 27.
Électrons = nombre de protons (atome neutre) = 13.
Z = 13 : c'est bien l'élément aluminium.
Méthode
Pour décrire un atome à partir de son numéro atomique Z :
- Nombre de protons = Z.
- Nombre d'électrons = Z (l'atome est neutre).
- Si on connaît le nombre de nucléons, nombre de neutrons = nucléons − Z.
- Charge du noyau = Z × e ; charge du nuage électronique = −Z × e.
5. Un atome presque vide
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome : son diamètre est de l'ordre de 10-15 m. Pour t'en faire une idée : si le noyau avait la taille d'un petit pois de 5 mm, l'atome entier aurait un diamètre de 5 × 100 000 = 500 000 mm, soit 500 m, autant que plusieurs terrains de football mis bout à bout. Entre le noyau et les électrons, il y a du vide.
Pourtant, presque toute la masse de l'atome est dans le noyau, car les électrons sont très légers. On dit que la matière a une structure lacunaire (pleine de vides).
Exemple
Combien d'atomes de 10⁻¹⁰ m de diamètre peut-on aligner sur 1 mm ?
1 mm = 10⁻³ m.
Nombre d'atomes = 10⁻³ ÷ 10⁻¹⁰ = 10⁻³⁺¹⁰ = 10⁷.
On peut aligner environ 10 millions d'atomes sur 1 mm.
Exemple
Estimer la masse d'un atome de carbone, qui contient 6 protons et 6 neutrons.
On néglige la masse des électrons, très faible.
Masse ≈ 12 nucléons × 1,67 × 10⁻²⁷ kg = 20,04 × 10⁻²⁷ kg ≈ 2,0 × 10⁻²⁶ kg.
6. Une idée qui a évolué
L'idée d'atome est très ancienne (Démocrite, en Grèce, au Ve siècle avant J.-C.), mais ce n'était qu'une supposition. Au début du XIXe siècle, le chimiste anglais John Dalton a montré que les réactions chimiques s'expliquent bien si la matière est faite d'atomes. En 1911, le physicien Ernest Rutherford a découvert le noyau. Le modèle que tu apprends est simplifié : aujourd'hui, on ne décrit plus les électrons comme de petites billes sur des orbites précises, mais comme un nuage autour du noyau.
3Je retiens
Je retiens
L'atome est la plus petite partie d'un élément chimique ; toute matière est faite d'atomes.
Un atome = un noyau central (protons positifs + neutrons neutres) + des électrons négatifs autour.
Charge du proton : +e ; de l'électron : −e ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; le neutron n'a pas de charge.
Le numéro atomique Z est le nombre de protons ; il définit l'élément.
L'atome est électriquement neutre : nombre d'électrons = nombre de protons = Z.
Diamètre de l'atome : environ 10⁻¹⁰ m ; le noyau est environ 100 000 fois plus petit mais contient presque toute la masse.
4Erreurs fréquentes
- Placer les électrons dans le noyau : le noyau contient seulement des protons et des neutrons ; les électrons sont autour.
- Croire que le neutron est chargé : il est neutre, d'où son nom.
- Dire qu'un atome est chargé positivement parce que son noyau l'est : les électrons compensent exactement cette charge.
- Penser que Z est le nombre de nucléons : Z est seulement le nombre de protons.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Recopie et complète : « Un atome est formé d'un … central et d'… qui tournent autour. Le noyau contient des …, chargés positivement, et des …, sans charge. Les électrons sont chargés … . »
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« Un atome est formé d'un noyau central et d'électrons qui tournent autour. Le noyau contient des protons, chargés positivement, et des neutrons, sans charge. Les électrons sont chargés négativement. »
2Exercice 2
L'atome de sodium a pour numéro atomique Z = 11.
a) Combien a-t-il de protons ? d'électrons ?
b) Pourquoi est-il électriquement neutre ?
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a) Z = 11 : 11 protons. L'atome étant neutre, il a 11 électrons.
b) La charge positive des 11 protons (+11e) est exactement compensée par la charge négative des 11 électrons (-11e) : la charge totale est nulle.
3Exercice 3
Le noyau d'un atome de soufre contient 16 protons et 16 neutrons.
a) Quel est son numéro atomique ?
b) Combien a-t-il de nucléons et d'électrons ?
c) Calcule la charge de son noyau (e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C).
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a) Z = 16 (nombre de protons).
b) Nucléons : 16 + 16 = 32. Électrons : 16 (atome neutre).
c) Charge du noyau : 16 × 1,6 × 10-19 = 25,6 × 10-19 = 2,56 × 10-18 C.
4Exercice 4
Un atome a 26 électrons et 30 neutrons.
a) Combien a-t-il de protons ? Justifie.
b) À l'aide du tableau du cours, identifie l'élément.
c) Combien a-t-il de nucléons ?
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a) L'atome est neutre : il a autant de protons que d'électrons, donc 26 protons.
b) Z = 26 : c'est le fer.
c) Nucléons : 26 + 30 = 56.
5Exercice 5
(Synthèse) Le diamètre d'un atome d'hydrogène vaut environ 10-10 m et celui de son noyau environ 10-15 m.
a) Combien de fois le noyau est-il plus petit que l'atome ?
b) Si l'on représentait le noyau par une bille de 1 cm, quel serait le diamètre de l'atome, en mètres ?
c) Explique pourquoi on dit que la matière est « lacunaire ».
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a) 10-1010-15 = 10-10+15 = 105 = 100 000. Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome.
b) Diamètre de l'atome : 1 × 100 000 = 100 000 cm = 1 000 m, soit 1 km.
c) Entre le noyau, minuscule, et les électrons, très légers et éloignés, il y a surtout du vide : la matière est « pleine de trous », elle est lacunaire.
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
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