Cours - PhyZik

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Chapitre 3
Des atomes aux ions
I – Qui est dans quoi ?
Voir poly
II – Un modèle de l’atome
« Lorsque j’entrai au laboratoire dirigé par
Joliot au Collège de France, la connaissance
que j’avais de la structure de la matière ne
devait guère dépasser celle acquise par un
lycéen de 1993 abonné à de bonnes revues de
vulgarisation.
Je les résume rapidement : la matière est
composée d’atomes, eux-mêmes constitués
de noyaux entourés d’un cortège d’électrons.
Les noyaux portent une charge électrique
positive qui est de même valeur et de signe
opposé à la charge des électrons qui gravitent
autour du noyau. La masse d’un atome est
concentrée dans le noyau.
Peut-être, sans prétendre faire un cours de
vulgarisation, puis-je donner quelques
précisions en me fondant sur des notions qui
sont intuitives chez presque tous les lecteurs.
Un litre d’eau contient environ
trente millions de milliards de milliards
d’atomes d’oxygène et deux fois plus
d’atomes d’hydrogène or le litre d’eau pèse
un kilogramme. Si je devais exprimer le poids
de chaque atome avec les unités familières
dans la vie courante, comme le kilogramme, je
traînerais des chiffres avec une quantité quasi
insupportable de zéros après la virgule !…
Le noyau de l’hydrogène, ou proton, porte
une charge électrique positive. Celui-ci a un
compagnon, le neutron, qui est neutre
électriquement et a sensiblement la même
masse. Tous deux s’associent de façon très
compacte pour constituer les noyaux qui sont
au cœur des atomes peuplant notre univers.
Ils s’entourent d’un cortège d’électrons dont
la charge compense exactement celle des
protons. En effet, la matière est neutre sinon
elle exploserait en raison de la répulsion
qu’exercent l’une sur l’autre des charges de
même signe, positif ou négatif.
Il faut avoir en tête l’échelle des dimensions.
Le diamètre d’un atome est voisin d’un
centième de millionième de centimètre. Celui
d’un noyau d’atome est cent mille fois plus
petit. On voit donc que presque toute la
masse d’un atome est concentrée en un
noyau central et que, loin sur la périphérie, se
trouve un cortège qui est fait de particules de
charge électrique négative, les électrons. C’est
ce cortège seul qui gouverne le contact des
atomes entre eux et donc tous les
phénomènes perceptibles de notre vie
quotidienne, tandis que les noyaux, tapis au
cœur des atomes, en constituent la masse. »
Georges Charpak (1924 – 2010)
Physicien français, prix Nobel de physique
1992 pour ses travaux sur les détecteurs de
particules.
Extrait du livre « La vie à fil tendu »
1 - La constitution de la matière
a) Des particules dans l’atome
La matière est constituée d’atomes et eux-mêmes d’autres particules.
D’après le texte, donnez les noms de ces particules et complétez le tableau.
Nom de la particule
Où se trouve-t-elle ?
Signe de la charge
électrique
b) L’atome est électriquement neutre
Parmi les définitions suivantes, rayez celles qui ne correspondent pas à « l’atome est électriquement neutre ».
 Un atome n’est constitué que de particules dont la charge électrique est neutre.
 Un atome ne peut pas produire de courant électrique.
 Un atome n’a pas de charge électrique positive ou négative.
 Un atome est constitué de particules dont les charges électriques se compensent.
c) Charge des particules
Elle s’exprime en coulomb et est notée C.
Nom de la particule
Electron
Proton
Neutron
Charge électrique en C
qe = - 1,6.10-19 C
qp = + 1,6.10-19 C
qn = 0
Autre écriture
Charge électrique élémentaire e = 1,6.10-19 C
Entraînement :
a) Quelle doit être la charge du nuage électronique d’un atome d’oxygène dont le noyau a pour charge + 8 e ?
b) Quelle est la charge du noyau d’un atome de phosphore qui est entouré de 15 électrons ?
2 - Représentation du noyau
a) Exemple de l’atome d’aluminium
L’atome d’aluminium est constitué de 13 protons, de 14 neutrons et de . . . électrons.

2
Pour représenter le noyau de l’atome d’aluminium, les chimistes utilisent la notation suivante :
Al
27
13
Indiquez ce que représente chaque partie de ce symbole :
Al
27
13
27 est le nombre de nucléons c’est à dire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Entraînement : Complétez le tableau suivant
Remarque pour le compléter : les éléments chimiques qui ont le même nombre de protons portent le même nom.
Symbole
du
noyau
Nom
Nombre
de
protons
Nombre
de
nucléons
Nombre
de
neutrons
Nombre
d’électrons
Charge du
noyau
Charge du
nuage
électronique
Charge
totale
He
4
2
hélium
O
16
8
C
12
6
H
...
1
1
...
...
6
8
...
2
...
1
Cl
35
...
chlore
+ 17e
...
...
...
37
20
216
8O
ion oxyde
Na
23
11
ion
sodium
10
...32
... S
ion sulfure
18
- 2e
......
13Al
ion
aluminium
14
- 10e
b) Définitions
Pour représenter les noyaux des atomes, les chimistes utilisent le symbole
X
A
Z
dans lequel :
X est une lettre majuscule (éventuellement suivie d’une lettre minuscule) indiquant le nom de l’élément.
. . . est le nombre de protons appelé numéro atomique.
. . . est le nombre de protons + neutrons appelé nombre de nucléons*
*nucléon vient du latin nucleus (noyau). Les nucléons sont donc les particules se trouvant dans le . . . . . . . .
c) Isotopes et éléments chimiques
Entraînement
a) Combien y a-t-il d’éléments chimiques différents dans le tableau précédent ? Citez-les.
b) Quels éléments chimiques de ce tableau sont isotopes ?
Renseignements à connaître :
 On donne le nom d’élément chimique à tous les noyaux qui ont le même numéro atomique Z.
 Deux éléments chimiques ayant le même numéro atomique ont le même nom et le même symbole X.
 Des éléments chimiques qui ont le même numéro atomique Z mais un nombre de nucléons A différent sont
appelés des isotopes.
d) Masse et dimension de l’atome

3
Masse :
La masse de l’atome s’obtient en additionnant la masse des électrons et la masse du noyau.
et   
Ex : 
 ,
La masse d’un atime est essentiellemnt concentrée dans son noyau car la masse électrons est négligeable.
Dimension :
L’espace occupé par un atome peut être assimilé à une sphère dont le diamètre est de l’ordre de 10-10 m.
Le noyau peut lui aussi être assimilé à une sphère dont le diamètre est de l’ordre de 10-15 m. Le diamètre de l’atome
est donc 105 fois plus grand que celui du noyau.
Rq : Si le noyau avait la taille d’une balle de tennis (6,5 cm de diamètre), nous pourrions trouver des électrons
jusqu’à environ      de la balle.
III – Répartition des électrons
1 – Couches électroniques
Dans un atome, les électrons sont répartis en couches électroniques notées K, L, M … etc
Règle de remplissage des couches (valable pour les éléments dont Z ≤ 18) :
 On remplit d’abord la couche K, puis la couche L…
Exemple : atome de sodium 11Na
11 = 2 + 8 + 1 structure électronique (K)2(L)8(M)1
2 – Un peu de vocabulaire
Lorsqu’une couche électronique est pleine, on dit qu’elle est saturée.
La couche externe est la dernière couche électronique remplie.
Une couche est dite interne lorsqu’elle n’est pas la dernière couche remplie.
3 – Entraînements
 Ecrire la structure électronique en indiquant si la couche externe est saturée.
Li
7
3
Al
27
13
O
16
8
327
13Al
Ne
20
10
F
19
9
Vrai / Faux
Un atome dont la structure électronique est (K)2(L)5 possède 5 électrons dans son nuage électronique.
La couche L est saturée lorsqu’elle comporte 18 électrons.
Deux éléments qui ont le même nombre d’électrons ont la même structure électronique.
Cl
35
17
a le même structure que
Ne
20
10
.
Couche
K
L
M
Nombre
maximal
d’électrons
2
8
18
couche K couche L couche M

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IV – Des atomes aux ions
1 – Qu’est-ce qu’un ion ?
C’est le chimiste suédois Svante August Arrhenius qui fut le premier, vers 1880, à découvrir que
certaines substances en solution se trouvent sous la forme d’ions et non de molécules.
Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un (ou plusieurs) électron(s).
Pour qu’un atome gagne un (ou plusieurs) électrons(s), il faut qu’un autre atome lui en
donne un (ou plusieurs).
Exemple du sel de cuisine :
On extrait le sel de cuisine dans les marais salants et les mines de sel. On peut le fabriquer artificiellement au
laboratoire : on fait réagir le métal sodium Na avec le gaz dichlore Cl2 (la réaction est violente !). Il se forme à la fin
de la transformation du chlorure de sodium : c’est un solide constitué d’ions sodium Na+ et d’ions chlorure Cl -.
Complétez le texte suivant avec les mots qui conviennent :
négatifs ; chlorure ; perdu ; sodium ; gagné ; chlore ; Na+ ; Cl - ; positifs ; e- (certains mots peuvent être utilisés
plusieurs fois)
Formation des ions . . .
Formation des ions . . .
Les atomes Na se transforment en ions . . .
Les ions . . . . . . . . . sont des atomes de . . . . . . . . . qui
ont . . . . . . . . . un électron.
Ce qui s’écrit : Na - . . . → . . .
ou encore : Na → . . . + . . .
Les atomes Cl se transforment en ions . . .
Les ions . . . . . . . . . . sont des atomes de . . . . . . . . . . .
qui ont . . . . . . . . . un électron.
Ce qui s’écrit : Cl + . . . → . . .
L’électron gagné par l’ion . . . . . . . . . . . . a été donné par l’atome de . . . . . . . . . . . .
Pour que la matière reste électriquement neutre, des ions . . . . . . . . . . sont toujours associés à des ions . . . . . . . . ..
« La matière est électriquement neutre »
On ne peut pas trouver d’ions isolés : les ions positifs sont toujours accompagnés d’ions négatifs.
La matière peut être constituée d’ions positifs et négatifs dont les charges électriques se compensent.
2 – Ce qui explique la charge des ions…
a) Pour ressembler aux gaz nobles
Les gaz nobles (rares) sont constitués de molécules monoatomiques et présentent une grande inertie chimique. Ils
sont très stables. Ce sont l'hélium, le néon, l'argon, le krypton.
2
He (K)2
10
Ne (K)2(L)8
18
Ar (K)2(L)8(M)8
26
Kr (K)2(L)8(M)8(N)8
Les atomes dont le numéro atomique est voisin de 2, auront tendance à prendre la configuration électronique stable
à deux électrons (règle du duet).
Les autres (étudiés cette année) auront tendance à prendre une configuration électronique à 8 électrons (règle de
l'octet).
b) Les ions monoatomiques
L'application de ces règles permet d'expliquer la formation des ions monoatomiques positifs (cations) et négatifs
(anions)
3
Li (K)2(L)1 perd un e- (K)2 même structure électronique que He Li+
9
F (K)2(L)7 gagne 1 e- (K)2(L)8 même structure électronique que Ne F-
12
Mg (K)2(L)8(M)2 perd 2 e- (K)2(L)8 même structure électronique que Ne Mg2+
8
O (K)2(L)6 gagne 2 e- (K)2(L)8 même structure électronique que Ne O2-
13
Al (K)2(L)8(M)3 perd 3 e- (K)2(L)8 même structure électronique que Ne Al3+

5
V – Les composés ioniques
1 - Corps simple, corps composé, mélange
Corps simple : c’est un corps constitué d’un seul type d’atomes (ex : Fe, O2, Al3+)
Corps composé : c’est un corps constitué de plusieurs types d’atomes (ex : Fe2O3, HO-, H2O)
Mélange : c’est un ensemble de corps simples et de corps composés (ex : pétrole, plâtre, lait)
2 - Les principaux corps ioniques
cations
formules
fer II
fer III
Al3+
cuivre II
Zn2+
Na+
Ca2+
K+
hydrogène
magnésium
Ag+
baryum
ammonium
anions
formules
sulfure
sulfate
NO3-
carbonate
hydrogénocarbonate
Cl -
oxyde
O2-
hydroxyde
3 - Ecrire la formule d’un composé ionique.
Méthode :
Ecrire la formule chimique des ions présents dans le solide ionique.
La solution est toujours électriquement neutre : il y a autant de charges positives que de charges négatives.
En déduire la proportion de chaque ion (c’est aussi l’écriture de la solution ).
Ecriture de la formule chimique du solide ionique :
Mettre en 1er l’ion positif sans sa charge avec en indice le chiffre trouvé ci-dessus.
Mettre en 2ème l’ion négatif sans sa charge avec en indice le chiffre trouvé ci-dessus.
Exemple : nitrate d’argent
La formule de l’ion argent est toujours : …………………
La formule de l’ion nitrate est toujours : ………………….
Il est donc impossible de modifier une formule.
Formule de la solution : …………………………….
Formule du solide ionique : …………………………….
Exemples :
Hydroxyde de cuivre II nitrate d’argent sulfate de baryum carbonate d’ammonium
Chlorure de cuivre II carbonate de calcium sulfate d’ammonium phosphate d’argent
Nitrate d’aluminium……