Chapitre 3 Des atomes aux ions

1"
!"#$%&'()*)
+(,)#&-.(,)#/0)%-1,)
"
2)3)4/%)(,&)5#1,)6/-%)7)
Voir"poly"
"
22)3)81).-59:()5():;#&-.()
«" 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," euxGmêmes" 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.""
PeutGêtre," sans" prétendre" faire" un" cours" de"
vulgarisation," puisGje" 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." CeluiGci" 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."»"
)
<(-'=(,)!"#'$#>)(1924"–"2010)"
!"#$%&%'() *+,(-,%$.) /+%0) 123'4) 5') /"#$%67')
899:) /27+) $'$) ;+,<,70) $7+) 4'$) 5=;'&;'7+$) 5')
/,+;%&74'$>)
Extrait"du"livre"«"La"vie"à"fil"tendu"»"
)
?)@)A#)B-1,&%&/&%-1)5():#).#&%9'()
#C)+(,)$#'&%B/:(,)5#1,):;#&-.()
La"matière"est"constituée"d’atomes"et"euxGmêmes"d’autres"particules."
D’après"le"texte,"donnez"les"noms"de"ces"particules"et"complétez"le"tableau."
Nom"de"la"particule"
"
"
"
Où"se"trouveGtGelle"?"
"
"
"
Signe"de"la"charge"
électrique"
"
"
"
"
DC)A;#&-.()(,&)E:(B&'%6/(.(1&)1(/&'()
Parmi"les"définitions"suivantes,"rayez"celles"qui"ne"correspondent"pas"à"«"l’atome"est"électriquement"neutre"»."
 Un"atome"n’est"constitué"que"de"particules"dont"la"charge"électrique"est"neutre."
 Un"atome"ne"peut"pas"produire"de"courant"électrique."
 Un"atome"n’a"pas"de"charge"électrique"positive"ou"négative."
 Un"atome"est"constitué"de"particules"dont"les"charges"électriques"se"compensent."
"
BC)!"#'=()5(,)$#'&%B/:(,)
Elle"s’exprime"en"coulomb"et"est"notée"C."
Nom"de"la"particule"
Electron"
Proton"
Neutron"
Charge"électrique"en"C"
qe"="G"1,6.10G19"C"
qp"="+"1,6.10G19"C"
qn"="0"
Autre"écriture"
"
"
"
)Charge"électrique"élémentaire"e"=""1,6.10G19"C"
?(;+,@('A'(;)B)
,C)D7'44')52%;)E;+')4,)&",+F')57)(7,F')=4'&;+2(%67')5G7(),;2A')5G20#FH(')52(;)4')(2#,7),)/27+)&",+F')I)J)')K)
3C)D7'44')'$;)4,)&",+F')57)(2#,7)5G7(),;2A')5')/"2$/"2+')67%)'$;)'(;27+=)5')8L)=4'&;+2($)K)
"
F)@))G($'E,(1&#&%-1)5/)1-H#/)
#C)I0(.$:()5():;#&-.()5;#:/.%1%/.)
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"1/B:E-1,)c’est"à"dire"."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."."
Entraînement):)M2A/4=;'N)4');,34',7)$7%<,(;)
O'A,+67')/27+)4')&2A/4=;'+)B)les)éléments)chimiques)qui)ont)le)même)nombre)de)protons)portent)le)même)nom.)
Symbole"
du"
noyau"
Nom""
Nombre"
de"
protons"
Nombre"
de"
nucléons"
Nombre"
de"
neutrons"
Nombre"
d’électrons"
Charge"du"
noyau"
"
Charge"du"
nuage"
électronique"
Charge"
totale"
He
4
2
)
hélium)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
O
16
8
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
)
C
12
6
)
)
)
)
)
)
)
)
)
H
.. .
1
)
)
)
?)
)
)
)
)
)
...
.. .
6
)
)
)
)
J)
)
)
)
)
...
2
.. .
)
)
)
)
?)
)
)
)
)
Cl
35
.. .
)
chlore)
)
)
)
)
K)?L()
)
)
...
.. .
.. .
)
)
)
*L)
FM)
)
)
)
)
−216
8O
)
ion"oxyde)
)
)
)
)
)
)
)
+
Na
23
11
)
ion"
sodium)
)
)
)
?M)
)
)
)
.. .32
.. . S
)
ion"sulfure)
)
)
)
?J)
)
)
@)F()
.. ... .
13 Al
)
ion"
aluminium)
)
)
?N)
)
)
@)?M()
)
)
DC)+EO%1%&%-1,)
Pour"représenter"les"noyaux"des"atomes,"les"chimistes"utilisent"le"symbole"
X
A
Z
dans"lequel":"
X"est"une"lettre"majuscule"(éventuellement"suivie"d’une"lettre"minuscule)"indiquant"le"nom"de"l’élément."
."."."est"le"nombre"de"protons"appelé"1/.E'-)#&-.%6/(."
."."."est"le"nombre"de"protons"+"neutrons"appelé"1-.D'()5()1/B:E-1s*"
P1/B:E-1)vient"du"latin"(7&4'7$)(noyau)."Les"nucléons"sont"donc"les"particules"se"trouvant"dans"le"."."."."."."."."
)
BC)2,-&-$(,)(&)E:E.(1&,)B"%.%6/(,)
Entraînement)
,C M2A3%'()#),P;P%4)5G=4=A'(;$)&"%A%67'$)5%**=+'(;$)5,($)4');,34',7)/+=&=5'(;)K)M%;'NP4'$>)
3C D7'4$)=4=A'(;$)&"%A%67'$)5')&');,34',7)$2(;)%$2;2/'$)K)
"
Renseignements)à)connaître):)
"Q1)5-11():()1-.)5;E:E.(1&)B"%.%6/()R)&-/,):(,)1-H#/0)6/%)-1&):().S.()1/.E'-)#&-.%6/()TU)
"+(/0)E:E.(1&,)B"%.%6/(,)#H#1&):().S.()1/.E'-)#&-.%6/()-1&):().S.()1-.)(&):().S.(),H.D-:()VU)
"+(,)E:E.(1&,)B"%.%6/(,)6/%)-1&):().S.()1/.E'-)#&-.%6/()T).#%,)/1)1-.D'()5()1/B:E-1,)W)5%OOE'(1&),-1&)
#$$(:E,)5(,)%,-&-$(,U)
)
5C)X#,,()(&)5%.(1,%-1)5():;#&-.()

3"
X#,,()Y)
La"masse"de"l’atome"s’obtient"en"additionnant"la"masse"des"électrons"et"la"masse"du"noyau."
"""!!"#$% =!!"#$% +!é!"#$%&'( "
"
!!"#$#% =1,673.10!!"!""
!!"#$%&! =1,675.10!!"!""
et"!é!"#$%&' =9,109.10!!"!""
"
Ex":" !"
!"
!" ,"
!!"
!"
!" =13.!!"#$#% +14.!!"#$%&! +13.!é!"#$%&' =4,521.10!!"!""
La"masse"d’un"atime"est"essentiellemnt"concentrée"dans"son"noyau"car"la"masse"électrons"est"négligeable."
!!"
!"
!" ≈13.!!"#$#% +14.!!"#$%&! =4,522.10!!"!""
"
+%.(1,%-1)Y))
L’espace"occupé"par"un"atome"peut"être"assimilé"à"une"sphère"dont"le"diamètre"est"de"l’ordre"de"10G10"m."
Le"noyau"peut"lui"aussi"être"assimilé"à"une"sphère"dont"le"diamètre"est"de"l’ordre"de"10G15"m."Le"diamètre"de"l’atome"
est"donc"105"fois"plus"grand"que"celui"du"noyau."
"
Rq":" Si" le" noyau" avait" la" taille" d’une" balle" de" tennis" (6,5" cm" de" diamètre)," nous" pourrions" trouver" des" électrons"
jusqu’à"environ"6,5.10!cm =6,5.10!m=6,5!km"de"la"balle."
"
)222)3)GE$#'&%&%-1)5(,)E:(B&'-1,)
?)3)!-/B"(,)E:(B&'-1%6/(,)
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"
"
"
)
F)3)81)$(/)5()Z-B#D/:#%'()
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)I1&'#[1(.(1&,)
"Ecrire"la"structure"électronique"en"indiquant"si"la"couche"externe"est"saturée."
Li
7
3
" "
Al
27
13
" "
O
16
8
" "
+327
13 Al
""
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"

4"
2\)3)+(,)#&-.(,)#/0)%-1,)
?)3)4/;(,&@B()6/;/1)%-1)7)
MG'$;)4')&"%A%$;')$7=52%$)Q<,(;')R7F7$;)R++"'(%7$)67%)*7;)4')/+'A%'+.)<'+$)8JJS.)T)5=&27<+%+)67')
&'+;,%('$)$73$;,(&'$)'()$247;%2()$');+27<'(;)$27$)4,)*2+A')5G%2($)';)(2()5')A24=&74'$>))
81)%-1)(,&)/1)#&-.()6/%)#)=#=1E)-/)$('5/)/1)]-/)$:/,%(/',C)E:(B&'-1],CU)
^-/')6/;/1)#&-.()=#=1()/1)]-/)$:/,%(/',C)E:(B&'-1,],C_)%:)O#/&)6/;/1)#/&'()#&-.():/%)(1)
5-11()/1)]-/)$:/,%(/',CU"
)
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"G."
"
M2A/4=;'N)4');'0;')$7%<,(;),<'&)4'$)A2;$)67%)&2(<%'(('(;)B)
1E=#&%O,)`)B":-'/'()`)$('5/)`),-5%/.)`)=#=1E)`)B":-'()`)a#K)`)!:)@)`)$-,%&%O,)`)(@)U&'+;,%($)A2;$)/'7<'(;)E;+')7;%4%$=$)
/47$%'7+$)*2%$C)
b-'.#&%-1)5(,)%-1,).".".)
b-'.#&%-1)5(,)%-1,).".".)
Les"atomes"Na"se"transforment"en"ions"."."."
Les"ions"."."."."."."."."."sont"des"atomes"de"."."."."."."."."."qui"
ont"."."."."."."."."."un"électron."
Ce"qui"s’écrit":""Na"G"".".".""→""."."."
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".".".".".".".".".."
)
c)A#).#&%9'()(,&)E:(B&'%6/(.(1&)1(/&'()d)
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.)
"
F)3)!()6/%)(0$:%6/():#)B"#'=()5(,)%-1,e))
#C)^-/')'(,,(.D:(')#/0)=#f)1-D:(,)
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"('9=:()5/)5/(&)."
Les"autres"(étudiés"cette"année)"auront"tendance"à"prendre"une"configuration"électronique"à"8"électrons"]'9=:()5()
:g-B&(&)."
"
DC)A(,)%-1,).-1-#&-.%6/(,)
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"eG"""""""""""(K)2""""""""""même"structure"électronique"que"He"""""Li+""
9
F" (K)2(L)7" "gagne"1"eG"""""""""""(K)2(L)8"""même"structure"électronique"que"Ne"""""FG""
12
Mg"(K)2(L)8(M)2"perd"2"eG"""""""""""""(K)2(L)8"""même"structure"électronique"que"Ne"""""Mg2+""
8
O" (K)2(L)6" "gagne"2"eG"""""""""""(K)2(L)8"""même"structure"électronique"que"Ne"""""O2G""
13
Al"(K)2(L)8(M)3"perd"3"eG"""""""""""""(K)2(L)8"""même"structure"électronique"que"Ne"""""Al3+"
"

5"
\)3)A(,)B-.$-,E,)%-1%6/(,)
?)@)!-'$,),%.$:(_)B-'$,)B-.$-,E_).E:#1=()
Corps"simple":"c’est"un"corps"constitué"d’un"seul"type"d’atomes"(ex":"Fe,"O2,"Al3+)"
Corps"composé":"c’est"un"corps"constitué"de"plusieurs"types"d’atomes"(ex":"Fe2O3,"HOG,"H2O)"
Mélange":"c’est"un"ensemble"de"corps"simples"et"de"corps"composés"(ex":"pétrole,"plâtre,"lait)"
"
F)@)A(,)$'%1B%$#/0)B-'$,)%-1%6/(,)
B#&%-1,)
O-'./:(,)
fer"II"
"
fer"III"
"
"
Al3+"
cuivre"II"
"
"
Zn2+"
"
Na+"
"
Ca2+"
"
K+"
hydrogène"
"
magnésium"
"
"
Ag+"
baryum"
"
ammonium"
"
"
#1%-1,)
O-'./:(,)
sulfure"
"
sulfate"
"
"
NO3
G"
carbonate"
"
hydrogénocarbonate"
"
"
Cl"G"
oxyde"
O2G"
hydroxyde"
"
"
"
*)@)IB'%'():#)O-'./:()5;/1)B-.$-,E)%-1%6/(U)
XE&"-5()Y)
Ecrire"la"formule"chimique"des"ions"présents"dans"le"solide"ionique."
"
A#),-:/&%-1)(,&)&-/h-/',)E:(B&'%6/(.(1&)1(/&'()Y)%:)H)#)#/&#1&)5()B"#'=(,)$-,%&%Z(,)6/()5()B"#'=(,)1E=#&%Z(,U)
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"ciGdessus."
Mettre"en"2ème"l’ion"négatif"sans"sa"charge"avec"en"indice"le"chiffre"trouvé"ciGdessus."
"
I0(.$:()Y"1%&'#&()5;#'=(1&)
La"formule"de"l’ion"argent"est"toujours":"…………………"
""""""La"formule"de"l’ion"nitrate"est"toujours":"…………………."
"
2:)(,&)5-1B)%.$-,,%D:()5().-5%O%(')/1()O-'./:(U)
"
)
Formule"de"la"solution":"……………………………."
Formule"du"solide"ionique":"……………………………."
"
I0(.$:(,)Y))
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……"
"
"