CHI 110 - STRUCTURE DE LA MATIERE 1ERE PARTIE : L`ATOME

CHI 110 - STRUCTURE DE LA MATIERE
NOTES DE COURS
1ERE PARTIE : L’ATOME
QUELQUES GENERALITES
La matière est constituée par l’assemblage, par des liaisons plus ou moins fortes, de particules
élémentaires. Du point de vue de la chimie, l’atome est le plus petit composant de la matière
(du grec ATOMOS, qui ne peut se diviser). C’est l’élément de base qui peut se combiner avec
d’autres pour former la matière.
ATOME > > > MOLECULE > > > MATIERE (gaz, solide, liquide, matière mole)
Mais nous savons que l’atome a une structure plus complexe et qu’il est constitué de
particules élémentaires. Quelques dates importantes :
• 1881 : découverte de l’électron (J. J. Thompson, rayons cathodiques)
• 1908 : expérience de Rutherford sur l’interaction particules-matière, qui a conduit à
la proposition du modèle planétaire de l’atome (1911)
• Modèle de Bohr (1913)
• Modèle de Schrödinger (années 30)
I. L’atome et ses constituants
I – 1. Constituants de l’atome
I – 1.1. Les particules fondamentales
(A) Les nucléons
Deux types de nucléons :
Les protons, particules chargées positivement
• Charge : +e = 1,602 x 10–19 C
• Masse : mp = 1,6726 x 10–27 kg
Les neutrons, particules neutres
• Charge : 0

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• Masse : mn = 1,6675 x 10–27 kg (≈ mp)
(B) L’électron
Particule chargée positivement
• Charge : –e = –1,602 x 10–19 C (– charge du proton)
• Masse : me = 9,1094 x 10–31 kg (très faible/masse des nucléons)
( les nucléons sont plutôt du domaine d’étude de la physique (radioactivité, …), alors que
ce sont les électrons qui vont vont avoir une grande influence sur les propriétés chimiques
(liaisons, …) et physicochimiques (spectroscopie, …) des atomes.
I – 2. L’atome
¨ L’atome est constitué de particules élémentaires
I – 2.1. Organisation des particules dans l’atome
L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons.
(A) Le noyau est un domaine (volume) limité dans lequel est concentré presque toute
la masse de l’atome. Il contient N neutrons et Z protons, donc il est chargé positivement.
• Z (nb de protons) est le numéro atomique de l’atome ; il permet de l’identifier et
donne la valeur de la charge du noyau, qui est égale à +Ze.
• A = Z + N est la nombre de nucléons (protons + neutrons) ; il est appelé nombre de
masse
(B) Les électrons évoluent autour du noyau, dans un domaine (volume, espace) très
grand par rapport au volume du noyau. Un atome contient Z électrons.
Il en résulte que :
¨ un atome est globalement neutre électriquement : un noyau contenant Z protons (charge
+Ze) est entouré de Z électrons (charge –Ze).
¨ la matière (constituée d’un assemblage d’atomes) est essentiellement constituée par du
"vide", dans lequel évoluent les électrons. C’est une structure dite lacunaire.

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( Ce fait a été à l’origine démontré par l’expérience de Rutherford (1908).
Lorsqu’on bombarde une feuille d’or (épaisseur de l’ordre du micron) par des particules α ,
la majorité traverse la feuille mais certaines sont violemment déviées et retournent vers la
source. On en tire les conclusions :
1. l’atome est essentiellement constitué de vide, d’où le fort taux de passage des
particules α à travers la feuille d’or.
2. L’atome contient une zone chargée positivement, très petite en volume (c’est à dire le
noyau), d’où la répulsion très forte, mais rare statiquement, des particules He2+.
Il y a donc dans l’atome un tout petit noyau, chargé positivement, autour duquel gravitent
quelques électrons dans un grand volume de "vide".
Particule alpha (ion He2+)
Feuille d’or (épaisseur 1 micron)
Particule alpha (ion He2+)Particule alpha (ion He2+)
Feuille d’or (épaisseur 1 micron)

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I – 2.2. Les nucléides
Un atome est caractérisé par les valeurs de Z et de N. Un couple de ces deux valeurs défini un
NUCLÉIDE. Un nucléide X est identifé par le symbolisme suivant (où X est le symbole de
l’élément considéré) :
Exemple :
I – 2.3. Les éléments
Chaque valeur du numéro atomique Z (rappel : nb de protons) défini un élément.
Un élément est l’ensemble des nucléides et des ions (donc des isotopes et des ions) ayant le
même numéro atomique Z.
(A) Les isotopes
Définition et exemples
Un isotope est un corps simple ayant le même Z (numéro atomique) qu’un autre, mais une
masse atomique différente. Les différences entre isotopes d’un même élément X sont dues à la
différence de constitution du noyau : c’est le nombre de neutrons N qui diffère d’un isotope
d’un élément à un autre.
Un isotope est désigné par son symbole chimique X, complété par son nombre de masse A (en
exposant, à gauche) et son numéro atomique Z (en indice, à gauche).
Exemples :
• Le carbone 14, un des isotopes du carbone :
• L’oxygène à 3 isotopes
d’abondances relatives 99,757%, 0,038% et 0,2005%.
• Le chlore (Z = 17) a 9 isotopes (A = 32 à 40).
Les deux principaux (les plus abondants) sont et
Trois isotopes sont naturels (les isotopes 35, 36 et 37) dont le qui est radioactif.
Les autres sont artificiels.
X
nombre de masse A
numéro atomique Z
X
nombre de masse A
numéro atomique Z
C
14
6
C
14
6
O
16
8
O
16
8
O
17
8
O
17
8
O
18
8
O
18
8
Cl
35
17
Cl
37
17
Cl
35
17
Cl
35
17
Cl
37
17
Cl
37
17
Cl
36
17
Cl
36
17
Cl
35
17
•17 protons
•35 – 17 = 18 neutrons
•17 électrons
Cl
35
17
•17 protons
•35 – 17 = 18 neutrons
•17 électrons

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Propriétés des isotopes
Les propriétés chimiques des isotopes d’un même élément sont identiques, car ils possèdent le
même nombre d’électrons.
En revanche, le noyau des isotopes d’un même élément ne contient pas le même nombre de
neutrons. La proportion de neutrons dans un noyau peut le rendre instable, donc radioactif. La
proportion des isotopes stables par rapport aux instables varie donc au cours du temps. C’est
sur cette variation que se basent les méthodes de datation (la plus connue est la datation dite
"au carbone 14").
(B) Les ions
Un atome peut gagner ou perdre un ou plusieurs électrons. Il cesse alors d’être neutre et
devient un ion.
Exemples :
• l’ion Na+ (un électron perdu par l’atome de sodium 11Na).
• l’ion Br– (un électron perdu par l’atome de brome 35Br).
Les charges des ions sont indiquées en prenant comme unité la valeur absolue de la charge de
l’électron.
I – 3. La représentation planétaire des atomes
Le rayon des atomes est de l’ordre de 10–10 m (soit 1 Å ou 0,1 nm). Ce rayon correspond à
une sphère virtuelle à l’intérieur de laquelle évoluent les électrons qui gravitent autour du
noyau, cette sphère représentant l’encombrement moyen d’un atome. Le noyau en occupe un
très faible volume, son rayon étant de l’ordre de 10–14 à 10–15 m. Il est donc 104 à 105 fois plus
petit que l’atome lui-même : 100 m de diamètre (atome) , 1 cm (noyau), 0,1 mm (électron)
une mouche sur un terrain de foot….
I – 4. La mole
La mole est une quantité de matière, commode pour le chimiste à l’échelle macroscopique.
La mole correspond à 6,023 x 1023 espèces élémentaires*.
On défini le nombre d’Avogadro NA = 6,023 x 1023 mole–1.
La mole, quantité de matière, s’applique à toute espèce élémentaire : atomes, particules
(électrons, protons, ….), molécules, ions.
*1 mole de substance contient autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans
12 g de carbone.