Constitution de l`atome

L'Univers. Chapitre 20 (atomes)
de
Cours
2
Les éléments chimiques : constituants universels de la matière.
Les différentes espèces chimiques rencontrées dans l'Univers sont constituées des mêmes "briques" universelles :
non pas les atomes mais, pour être plus précis, les éléments chimiques.
I. L'atome.
1. Composition de l'atome.
L’atome est constitué d’un noyau atomique autour duquel des électrons sont en mouvement. Le noyau atomique
est constitué de deux types de nucléons : les protons et les neutrons.
-10
-15
L'atome mesure de l'ordre de 10 m et le noyau atomique 10 m.
masse en kilogramme charge électrique en coulomb
-30
-19
électron
0,9  10 kg
- 1,6  10 C
-27
-19
proton
1,7  10 kg
1,6  10 C
-27
neutron
1,7  10 kg
0C
-19
On définit alors la charge électrique élémentaire e = 1,6  10 C .
Retenons que :
mproton ≈ mneutron ≈ 2000×mélectron
chargeproton = e
chargeélectron = - e
chargeneutron = 0 .
Un atome X, constitué de Z protons et N neutrons (soit A nucléons avec A = Z + N ), est noté
A
Z
X . Le nombre de
protons Z est aussi nommé numéro atomique.
Les atomes sont électriquement neutres donc ils sont constitués d’autant d’électrons que de protons : comme un
atome contient Z protons alors il contient aussi Z électrons.
Exemple : Déterminer la composition d'un atome de béryllium 49 Be ou Be.
contient 4 protons et 9-4=5 neutrons et contient 4 électrons (est électriquement neutre).
Comme l’essentiel de la masse est concentrée dans le noyau (mp et mn sont très grands devant me), la masse de
l’atome est m N mn Z mp Z me N mn Z mp N mp Z mp (N Z ) mp A mp
Exemple : Déterminer la masse d'un atome de magnésium
m
24 mp
24 1,7 10
27
4,1 10
26
24
12
Mg .
kg .
2. Répartition des électrons dans l'atome.
Les électrons se répartissent autour du noyau atomique sous forme de "couches" appelées
couches électroniques et formant le cortège électronique de l'atome.
Les trois premières s'appellent respectivement K, L et M.
Règles de remplissage des couches électroniques :
- on ne peut passer à la couche suivante que si une couche est saturée.
- la couche K est saturée (ou pleine) avec 2 électrons, les couches L et M sont saturées avec 8
électrons.
On peut alors écrire la structure électronique d'un atome (c'est à dire la répartition de ses
électrons).
(vue en coupe) Probabilité de
présence de 4 électrons autour du
noyau de béryllium : plus le gris est
foncé et plus la probabilité de
présence est grande. On peut
distinguer les couches électroniques
K et L.
La dernière couche entamée (voire totalement remplie) est appelée couche externe, les autres couches remplies
sont les couches internes.
Exemple : Ecrire la structure électronique de l'atome de carbone 6C et donner son nombre d'électrons externes.
Cet atome a 6 protons et est électriquement neutre, il a donc 6 électrons :
2
4
2 e sur la couche K et 4 e sur la couche L. Sa structure électronique est (K) (L) . Il a 4 électrons externes.
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II. L’élément chimique.
1. Définition.
L'élément chimique est caractérisé par le nombre de protons de son noyau, c'est-à-dire par Z : à chaque numéro
atomique Z correspond un élément chimique différent. Un élément chimique est aussi désigné par un nom et un
symbole chimique.
numéro atomique Z
nom de l’élément
symbole de l’élément
1
hydrogène
H
2
hélium
He
6
carbone
C
7
azote
N
8
oxygène
O
9
fluor
F
17
chlore
Cl
26
fer
Fe
29
cuivre
Cu
Actuellement, 117 éléments chimiques sont connus dont 90 naturels.
2. Intérêt de la notion d’élément chimique.
(voir activités expérimentales sur l'élément cuivre) Au cours de l'ensemble des réactions chimiques de l'activité
expérimentale, quelque chose est conservé et peut-être retrouvé à la fin. Il s'agit de l'élément chimique cuivre.
Dans l’ensemble de l'activité expérimentale, l’élément cuivre reste présent mais sous diverses formes (métal
2+
cuivre Cu , ion cuivre Cu , molécule d'oxyde de cuivre CuO …).
Lors des réactions chimiques il y a conservation des éléments chimiques (ils restent présents, ils ne sont ni créés
ni détruis) mais il y a transformation des espèces chimiques (certaines disparaissent et d'autres apparaissent).
Exemple : lors de la réaction chimique Cu(OH)2 → CuO + H2O
- les éléments chimiques cuivre Cu, oxygène O et hydrogène H sont conservés ;
- l'espèce chimique hydroxyde de cuivre Cu(OH)2 disparait et les espèces chimiques oxyde de cuivre CuO et eau
H2O apparaissent.
L'élément chimique cuivre est ce qui est commun à l'ensemble des composés du cuivre (au métal cuivre Cu , à
2+
l’ion cuivre Cu , à la molécule d'oxyde de cuivre CuO …).
3. Isotopes.
Deux noyaux atomiques sont dits isotopes lorsqu'ils ont le même nombre Z de protons mais un nombre A de
neutrons différents (et donc un nombre N de nucléons différents). Il s'agit donc d'un même élément chimique.
L’élément carbone, par exemple, a un noyau contenant 6 protons. Mais il existe entre autres le carbone 12 ( 126 C
qui contient 6 neutrons) et le carbone 14 ( 146 C qui contient 8 neutrons). Ce sont des isotopes de l'élément
carbone.
Mais l'azote 14 ( 147 N ) n'est pas un isotope du carbone 14 ( 146 C ) car ils n'ont pas le même nombre de protons, ce
sont des éléments différents.
Remarque : les isotopes n’ont donc pas la même masse car ils n'ont pas le même nombre de nucléons.
Vocabulaire (rappel) :
Espèce chimique : substance chimique pure telle que la molécule d'oxyde de cuivre (CuO) ou l'ion cuivre II
2+
(Cu ) ou le cuivre métallique (Cu), une espèce chimique est un ensemble de molécules identiques ou un
ensemble d'ions identiques ou un ensemble d'atomes identiques.
Elément chimique : ensemble d’entités caractérisées par un symbole (par exemple Cu pour le cuivre) et une
valeur de numéro atomique Z (par exemple 29 pour le cuivre). L'élément chimique est donc caractérisé par le
nombre de protons de son noyau.
L’élément chimique cuivre est ce qui est commun à tous les composés du cuivre : au métal cuivre Cu , à l’ion
2+
cuivre II Cu , à la molécule d'oxyde de cuivre CuO …