Des atomes aux ions - Site de M. HOELTZEL

Des atomes aux ions
I. Le modèle de l'atome
A. Les constituants de l'atome
L'atome est le constituant fondamental de la matière. Il est
composé d'un noyau autour duquel des électrons sont en
mouvement : c’est le nuage électronique.
L'unité de la charge électrique est le coulomb (C). "e" est la
charge élémentaire c'est-à-dire la plus petite charge que peut
porter une particule : e =1,60 . 10-19C
Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Il existe deux sortes de nucléons :
le proton, chargé positivement : qproton = + e = 1,60 . 10-19 C
le neutron, de charge nulle : qneutron = 0 C.
Masse ( kg )
Charge électrique (C)
Proton
1,7 ∙
+ e = + 1,6 ∙
Neutron
1,7 ∙
0
Electron
9,1 ∙
- e = - 1,6 ∙
B. La représentation (ou notation) symbolique dunoyau d’un atome.
Un atome de symbole X, dont le noyau comporte Z protons et A nucléons, est noté :
Tous les atomes (ou plus précisément leur noyau) sont représentés dans le tableau périodique des éléments
1. Numéro atomique Z
Le numéro atomique Z d'un atome correspond au nombre de protons contenus dans son noyau.
La notation symbolique d'un atome d'aluminium est son numéro atomique est donc Z=13 ce qui
signifie que son noyau contient 13 protons.
2. Nombre de nucléons A
Le nombre de nucléons que contient le noyau d'un atome est noté A.
La notation symbolique d'un atome d'aluminium est , son nombre de nucléons est donc A = 27 ce
qui signifie que son noyau contient 27 nucléons.
3. Nombre de neutrons A-Z
Lorsque l'on donne la composition d'un atome, il faut aussi indiquer le nombre de neutrons et le nombre
d'électrons.
Un atome d'aluminium est composé de 27 nucléons (A) dont 13 protons (Z) et 14 neutrons (A-Z) et
aussi de 13 électrons (car un atome est électriquement neutre).

C. Dimension et masse de l'atome
1. Masse d'un atome
La masse d'un atomematome dont la notation est est :
On peut simplifier ce calcul en remarquant que =
On peut donc affirmer que la masse d’un nucléon est 1833 fois plus grande que celle d’un électron et ainsi
négliger la masse des électrons dans le calcul de la masse d’un atome :
Ce qui donne (heureusement) le même résultat.
C'est pourquoi le nombre de nucléons A est aussi appelé le "nombre de masse" de l'atome.
2. Structure lacunaire de l'atome
L'ordre de grandeur du noyau de l'atome est 1 fm (soit 10−15 m), tandis que celui de l'atome est 0,1 nm (soit
10−10 m). Entre le noyau et les électrons qui l'entourent, il n'y a que du vide : l'atome a une structure
lacunaire.
D. La structure électronique d'un atome
Autour du noyau, les électrons sont répartis sur des couches
électroniquesqui ne peuvent contenir qu'un nombre limité
d'électrons :
La couche K est la plus proche du noyau et peut contenir
au maximum 2 électrons.
La couche L est la deuxième couche et peut contenir au
maximum 8 électrons.
La couche M est la troisième couche et peut contenir au
maximum 18 électrons.
Couches électroniques autour du noyau vu en plan
Le remplissage d'une nouvelle couche commence quand la précédente est saturée (c'est-à-dire quand elle
contient son nombre maximal d'électrons). La couche externe est la dernière couche occupée, les électrons
qui y sont situés sont les moins « liés » au noyau.
Structure électronique
La structure électronique d'un atome est la répartition des électrons dans les différentes couches
électroniques. On commence par remplir la couche K, puis L, puis M… tant qu’il reste des électrons.

Exemple : l'atome d'aluminium contient 13 électrons. Sa structure électronique est donc : (K)2(L)8(M)3.
E. Les isotopes
Des isotopes sont deux atomes ayant le même numéro atomique Z mais un nombre de nucléons A différent.
Leur noyau contient donc le même nombre de protons mais pas de neutrons. Ils correspondent au même
élément, ont les mêmes propriétés chimiques mais leur masse est différente.
L'aluminium possède 22 isotopes connus dont le nombre de nucléons varie entre 21 et 42. Leurs
représentations symboliques sont , ,…, .
Les éléments chimiques existent naturellement sous différents isotopes dont l'abondance est connue.
II. Les ions monoatomiques
Définition
Un ion monoatomique est obtenu lorsqu'un atome a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, c'est donc une
espèce électriquement chargée.
Un cation est un ion positif, formé par un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.
Un anion est un ion négatif, formé par un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons.
La charge électrique de l'ion est indiquée en haut à droite du symbole de l'atome correspondant.
Lorsqu'un atome d'aluminiumperd 3 électrons, il forme le cation .
Lorsqu'un atome de fluor gagne 1 électron, il forme l'anion .
La charge électrique d'un ion
Contrairement à un atome, un ion n'a pas le même nombre d'électrons que de protons, un type de ces
particules chargées est en excès, ce qui lui confère sa charge électrique.
III. Les ions stables formés par les éléments chimiques
A. La stabilité des gaz nobles
Les éléments chimiques appartenant à la famille des gaz nobles (hélium, néon, argon, etc) sont les seuls à
pouvoir exister à l'état d'atomes isolés et, sauf conditions exceptionnelles, ils ne se combinent pas avec les
autres éléments : ils sont très stables. Leur structure électronique fait apparaître un duet (groupe de 2) ou un
octet (groupe de 8) d'électrons sur leur couche externe.

Gaz noble
Numéro atomique Z
Structure électronique
Hélium (He)
2
(K)2
Néon (Ne)
10
(K)2(L)8
Argon (Ar)
18
(K)2(L)8(M)8
B. Les règles du duet et de l'octet
Les éléments chimiques autres que les gaz nobles ne sont pas stables et évoluent de manière à acquérir une
structure électronique analogue au gaz noble de numéro atomique le plus proche en formant des ions ou des
molécules.
Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes de numéro atomique (Z) inférieur ou égal à 5
tendent à acquérir la structure électronique en duet(K)2de l'hélium. Les autres atomes tendent à acquérir une
couche externe en octet (L)8 ou (M)8analogue à celle du néon ou de l'argon.
Le lithium, de numéro atomique Z = 3, a pour structure électronique (K)2(L)1. Conformément à la règle du
duet, il forme l'ion stable en perdant un électron. L'ion ne possédant plus que deux électrons, sa
structure électronique est bien un duet : (K)2.
L'oxygène, de numéro atomique Z = 8, a pour structure électronique (K)2(L)6. Conformément à la règle de
l'octet, il forme l'ion stable en gagnant deux électrons. L'ion possédant 10 électrons, sa couche
externe possède bien un octet : (K)2(L)8.
Les ions formés sont ceux qui font intervenir le plus petit nombre d'électrons.
Explication :
L'aluminium, de numéro atomique Z = 13, a pour structure électronique (K)2(L)8(M)3. Pour respecter la
règle de l'octet, il perdra trois électrons et formera l'ion plutôt que de gagner cinq électrons pour former
l'ion .
IV. L'élément chimique
On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des entités chimiques (atomes, isotopes ou ions)
caractérisées par le même numéro atomique Z (donc le même nombre de protons dans leur noyau). Les
éléments chimiques sont représentés par leur symbole chimique (Al pour l’aluminium).
L'atome d’aluminium , l’isotope et l'ion correspondent au même élément chimique, l'aluminium
(de symbole Al).
Conservation des éléments chimiques
Lors d'une transformation chimique, tous les éléments chimiques présents avant la transformation sont aussi
présents après, et réciproquement. On dit qu'il y a conservation des éléments chimiques lors d'une
transformation chimique.
Exemple :