Cours : De l'atome à l'élément chimique

La structure de l’atome

Définition

Atome :

Un atome est une sphère constituée d’un noyau autour duquel se déplacent des électrons.

Le volume occupé par le noyau est environ 100 000 fois plus petit que le volume de l’atome. Un grand vide sépare donc les électrons du noyau.

• On dit que la matière est lacunaire.

Le noyau

Définition

Noyau :

Le noyau de l’atome est formé de particules appelées les nucléons. Il existe deux types de nucléons :

• les protons
• et les neutrons.

À retenir

Les protons et les neutrons ont la même masse, égale à $1,67\times10^{-27}$kg.

• Les neutrons sont électriquement neutres.
• En revanche, chaque proton porte une charge électrique positive, égale à $1,6\times10^{-19}$ Coulomb. Le Coulomb est l’unité de charge électrique, c’est une constante dont le symbole est $C$.

Les électrons

Les électrons se déplacent à grande vitesse autour du noyau. Comme ils n’ont pas de trajectoire bien définie et qu’il est difficile de savoir quelle place ils occupent tant leur mouvement est rapide, on parle de nuage électronique.

Le nombre d’électrons est égal au nombre de protons contenus dans le noyau. Leur masse est environ 2 000 fois plus petite que celle d’un nucléon.

À retenir

Chaque électron porte une charge électrique négative de $- 1,6\times10^{-19}$ C, qui est l’exact opposé de la charge électrique d’un proton.

Caractéristiques de l’atome

• Il est possible de caractériser l’atome par sa masse.
• La masse des électrons étant négligeable, la masse d’un atome est égale à la masse de ses nucléons (autrement dit, à la masse de son noyau).
• Par ailleurs, comme les protons et les neutrons ont la même masse, la masse de l’atome est égale à la masse d’un nucléon multipliée par son nombre de nucléons.
• On peut aussi caractériser un atome grâce à sa charge.
• L’atome contient autant d’électrons que de protons, avec des charges opposées : il est donc électriquement neutre.

Symbolisation de l’atome

Les scientifiques ont inventé une notation symbolique pour représenter un atome :

• un atome est toujours noté sous la forme $^{A}_{Z}X$ ;
• le nombre de protons contenus dans le noyau est appelé numéro atomique ou nombre de charges, on le note $\mathrm{Z}$. Puisqu’il y a autant de protons que d’électrons dans l’atome, $\mathrm{Z}$ donne donc aussi le nombre d’électrons ;
• ajoutés entre eux, les protons et les neutrons forment les nucléons ;
• le nombre de nucléons contenus dans le noyau est symbolisé par le nombre de masse, noté $A$ ;
• pour déterminer le nombre de neutrons on prend le nombre de nucléons $A$, auquel on soustrait le nombre de protons $\mathrm{Z}$ : $\ A-Z$

À retenir

Connaître le symbole d’un atome, permet donc de déterminer sa structure.

Exemple

L’atome d’aluminium a pour symbole $^{27}_{13}Al$.

• Le nombre de nucléons $A$ (protons + neutrons) contenus dans le noyau est égal à 27.
• Le numéro atomique $\mathrm{Z}$ est égal à 13, donc le noyau de l’atome d’aluminium contient 13 protons ; et comme le numéro atomique $\mathrm{Z}$ est aussi égal au nombre d’électrons, l’atome d’aluminium contient également 13 électrons.
• On peut donc déterminer le nombre de neutrons : $A-Z=27-13$ soit 14 neutrons.
• Enfin, on peut calculer la masse de l’atome d’aluminium, qui est égale au produit du nombre de nucléons $A=27$ par la masse d’un nucléon : $1,67\times10^{-27}$ kg ;
• La masse de l’atome d’aluminium est donc égale à $27\times1,67.10^{-27}$ soit $4,51\times10^{-26}$ kg.

Les isotopes et les ions

Les isotopes

Définition

Isotopes :

Deux isotopes sont des nucléides qui ont le même nombre de protons (soit le même numéro atomique $\mathrm{Z}$) mais un nombre de neutrons différent (autrement dit, un nombre de nucléons $A$ différent).

L’élément chlore a plusieurs isotopes. En voici deux :

• le chlore $35$, $^{35}_{17}Cl$ ($A-Z= 35-17= 18$ neutrons) ;
• et le chlore $36$, $^{36}_{17}Cl$ ($A-Z= 36-17=19$ neutrons).

Ces deux isotopes sont tous les deux des atomes de chlore, mais l’un possède 18 neutrons et l’autre 19 neutrons.

Les ions

Définition

Ion :

Un ion est un atome qui a gagné ou perdu des électrons :

• un atome qui perd un ou plusieurs électrons devient un ion positif, appelé cation ;
• un atome qui gagne un ou plusieurs électrons devient un ion négatif, appelé anion.

Un ion est représenté par le symbole de l’élément correspondant, avec mentionné en exposant la charge positive ou négative portée par cet ion.

Exemple

Ainsi, pour l’atome d’hydrogène $H$ et l’atome d’oxygène $O$ :

• l’atome d’hydrogène $H$ peut perdre un électron et devenir l’ion positif $H^{+}$ ;
• l’atome d’oxygène $O$ peut gagner deux électrons et devenir l’ion négatif $O^{2-}$.

À retenir

Si un ion est formé d’un seul atome, on dit qu’il est monoatomique. S’il est formé à partir d’un groupe d’atomes, il est polyatomique.

Exemple

• L’ion calcium $Ca^{2+}$ est un ion monoatomique : il a été formé à partir d’un seul atome : l’atome de calcium $Ca$ qui a perdu 2 électrons.
• L’ion sulfate ${SO_4}^{2-}$ est un ion polyatomique : il a été formé à partir d’un groupe d’atomes (1 de soufre $\mathrm{S}$ et 4 d’oxygène $O$) qui a gagné 2 électrons.

Pour identifier les ions, on procède souvent à des tests de reconnaissance.

Définition

Test de reconnaissance :

Un test de reconnaissance est basé sur une réaction chimique de précipitation, c’est-à-dire de transformation en produit solide insoluble. On introduit dans la solution contenant l’ion à identifier une espèce chimique qui va réagir avec lui et le faire précipiter. L’espèce chimique est choisie de façon adaptée : elle doit contenir un ion qui réagit avec l’ion que l’on cherche à identifier.

Exemple

Par exemple, en présence de soude :

• un ion fer II $\mathrm{Fe}^{2+}$ en solution forme un précipité vert foncé ;
• un ion fer III $\mathrm{Fe}^{3+}$ en solution forme un précipité rouille ;
• un ion cuivre II $\mathrm{Cu}^{2+}$ en solution forme un précipité bleu.

Tests de reconnaissance à la soude

• En fonction de la couleur du précipité obtenu au contact de la soude, on peut donc savoir si la solution à identifier contient des ions fer II ou III, ou l’ion cuivre II.

L’élément chimique

Les isotopes et les ions sont des cas particuliers d’atomes. Pour désigner en même temps un atome, ses ions et ses isotopes, on parle d’élément chimique.

À retenir

• Un élément chimique $\mathrm{X}$ regroupe l’atome $\mathrm{X}$ avec ses isotopes et ions.
• Un élément est caractérisé par son numéro atomique $\mathrm{Z}$.

Ainsi, l’atome de chlore $Cl$, l’ion chlorure $Cl^{-}$ et les isotopes chlore 35, $\ ^{17}_{35}Cl$ et chlore 36, $^{17}_{36}Cl$ appartiennent au même élément chimique chlore caractérisé par le numéro atomique $Z=17$.

Il existe une centaine d’éléments chimiques. Ils sont regroupés dans la classification périodique des éléments.

Structure électronique d’un élément chimique (atome ou ion)

Les différentes couches électroniques

Les électrons d’un atome ou d’un ion se répartissent en couches, appelées couches électroniques.

Chaque couche électronique est représentée par une lettre et un numéro $n$.

• La 1^re couche $(n=1)$ est appelée $\mathrm{K}$. C’est la plus proche du noyau ;
• la 2^e couche $(n=2)$ est appelée $\mathrm{L}$ ;
• la 3^e couche $(n=3)$ est appelée $\mathrm{M}$ ;
• la 4^e couche $(n=4)$ est appelée $\mathrm{N}$ ;
• et ainsi de suite jusqu’à la dernière couche, appelée couche externe.

Règles de remplissage des couches

Le remplissage des couches électroniques suit des règles bien précises.

À retenir

Chaque couche ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons égal à $2\times n^2$ électrons, $n$ étant le numéro de la couche.

Si l’on calcule le nombre d’électrons que peuvent contenir les trois premières couches $\mathrm{K}$, $\mathrm L$ et $\mathrm M$ :

• la couche $\mathrm{K}$ ne peut contenir que $2\times1^2$ soit 2 électrons ;
• la couche $\mathrm L$ ne peut contenir que $2\times2^2$ soit 8 électrons ;
• la couche $\mathrm M$ ne peut contenir que $2\times3^2$ soit 18 électrons.

On procède de la même manière pour les couches suivantes et ce jusqu’à la couche externe. Les électrons se placent d’abord sur la couche $\mathrm{K}$.

À retenir

Les électrons de l’atome ou de l’ion remplissent progressivement les différentes couches. Quand une couche est saturée (autrement dit, lorsque le nombre maximal d’électrons est atteint), les électrons restants remplissent la couche suivante.

On peut représenter le remplissage des trois premières couches $\mathrm{K}$, $\mathrm{L}$ et $\mathrm{M}$ par un schéma.

Concernant l’atome de silicium $^{28}_{14}Si$ :

• son numéro atomique est $\mathrm{Z}=14$, il contient donc 14 électrons ;
• 2 électrons se placent sur la couche $\mathrm{K}$ qui est alors saturée ;
• 8 électrons se placent ensuite sur la couche $\mathrm{L}$ qui devient aussi saturée ;
• 4 électrons se placent sur la couche $\mathrm{M}$, qui n’est pas saturée et devient donc la dernière couche, ou couche externe de l’atome.

Représentation de la structure électronique d’un atome ou d’un ion

Astuce

Pour décrire la structure électronique d’un atome ou d’un ion, on indique entre parenthèses les lettres correspondant aux couches remplies et on note en exposant de chaque lettre le nombre d’électrons présents sur la couche concernée.

Les couches ne contenant pas d’électrons ne sont pas écrites.

Si l'on étudie la structure électronique de l’atome de soufre $^{32}_{16}S$ :

• il a pour numéro atomique $\mathrm{Z}=16$, l’atome de soufre contient donc 16 électrons ;
• sa structure électronique s’écrit donc $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8(\mathrm{M})^6$ :
• les couches $\mathrm{K}$ et $\mathrm{L}$ sont saturées ;
• la couche $\mathrm{M}$ devient donc la couche externe : elle n’est pas saturée et pourrait encore contenir $18-6= 12$ électrons.

Pour la structure électronique de l’ion soufre $^{32}_{16}S^{2-}$ :

• l’exposant négatif « ^2– » montre que l’ion soufre est un ion négatif et que l’atome de soufre a gagné deux électrons pour former cet ion ;
• le nombre d’électrons contenus dans l’ion soufre $S^{2-}$ est égal à $16+2=18$ électrons ;
• la structure électronique de l’ion soufre s’écrit donc : $(K)^2(L)^8(M)^8$.
• Par rapport à l’atome soufre, deux électrons supplémentaires ont été ajoutés sur la couche externe $\mathrm{M}$.