Chapitre 3 : Atomes, ions et éléments chimiques

Chapitre 3 : Atomes, ions et éléments chimiques
(Chimie SANTÉ)
Objectifs :
¾ Connaître la constitution d’un atome et de son noyau
¾ Connaître et utiliser le symbole A
ZX
¾ Savoir que l’atome est électriquement neutre
¾ Savoir que le numéro atomique caractérise l’élément
¾ Dénombrer les électrons de la couche externe
¾ Connaître et appliquer les règles du duet et de l’octet pour rendre compte des charges des ions monoatomiques usuels
¾ Savoir identifier quelques ions
Le mot atome vient du grec qui veut dire indivisible, insécable, il a été proposé vers 420 av J-C par Démocrite qui dit que la
matière est constituée de très petites particules indivisibles en mouvement.
C’est en 1897, avec J. Thomson, avec la découverte des électrons, que le premier modèle de l’atome apparaît. D’autres
modèles se développent comme en 1912 le modèle planétaire de E.Rutherford puis un an plus tard celui de N. Bohr.
Actuellement c’est le modèle quantique qui est retenu avec la notion de probabilité de présence de l’électron.
I. Généralités sur l’atome
L’atome est constitué d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement en
mouvement autour du noyau.
Un atome est électriquement neutre.
L’ordre de grandeur du rayon d’un atome est R At = 10 –10 m ;
L’ordre de grandeur du rayon du noyau atomique est R Noy = 10 –15 m
Entre le noyau et les électrons, on trouve du vide : on parle de structure lacunaire de l’atome.
II. Quelle est la composition d’un atome ?
II.1. Le noyau
L’ensemble des particules qui constituent le noyau atomique sont appelés nucléons.
On distinguera 2 types de particules qui constituent les nucléons :
- les protons qui sont chargés positivement, de masse mp = 1,67·10−27 kg
- les neutrons qui n’ont pas de charge électrique, de masse mn = 1,67·10−27 kg
On représente un noyau atomique par la notation symbolique suivante :
A
ZX
X : symbole du noyau considéré
A : Nombre de nucléons (= nombre de protons + nombre de neutrons)
Z : Numéro Atomique (= nombre de protons)
=
=
−
Nombre de protons Z
Nombre de neutrons A Z
Ex : Donner la composition des noyaux suivants :
H
1
1 où X = H (Hydrogène) ; Z = 1 soit 1 proton
A = 1 (nucléon) d’où A – Z = 0 donc 0 neutron.
Cu
63
29 où X = Cu (Cuivre) ; Z = 29 soit 29 protons
A = 63 (nucléons) d’où A – Z = 34 donc 34 neutrons.
Modèle planétaire
de Rutherford Modèle de Bohr
Modèle quantique
5
10=
Noy
At
R
R

Les isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique Z (même nombre de protons) mais
des nombres de nucléons A différents (pas le même nombre de neutrons).
Ex :
H
1
1(appelé proton), H
2
1 (deutérium) et H
3
1(tritium, radioactif)
C
12
6 (appelé carbone 12), C
13
6(carbone 13) et C
14
6(carbone 14 pour datation d’objets anciens)
Le numéro atomique Z caractérise l’élément chimique.
Un élément chimique est constitué de toutes les entités chimiques (atomes, ions) qui ont le même
numéro atomique Z.
Ex : isotopes du carbone Z = 6 ( C
12
6,C
13
6et C
14
6), le cuivre Z = 29 (Cu (s), Cu 2+(aq), Cu(OH)2,(s))
Un élément chimique est représenté par un symbole chimique.
Ex : H pour Hydrogène, O pour Oxygène, C pour Carbone, Cl pour Chlore, N pour Azote…
Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation de tous les éléments chimiques.
Ex :
Cu → Cu2+ → Cu(OH)2 → Cu
Dans chaque espèce on retrouve l’élément cuivre de symbole Cu.
II.2. Le cortège électronique
Dans un atome, les électrons représentent les charges négatives.
La masse d’un électron est me = 9,31·10−31 kg
Or l’atome est électriquement neutre : il y a autant de charges positives que de charges négatives.
Un atome comporte donc Z électrons. Il y a autant de protons que d’électrons dans l’atome !
Ex : Indiquer le nombre d’électrons que comporte les atomes suivants :
H
1
1 contient Z = 1 proton et donc 1 électron (et aussi 0 neutron).
Cu
63
29 contient Z = 29 protons donc 29 électrons (et aussi 34 neutrons).
Les électrons se répartissent en couches électroniques.
Chaque couche est nommée par une lettre et ne peut accueillir qu’un nombre limité d’électrons :
Couche électronique Nombre maximal d’électrons portés par la couche électronique
K 2
L 8
M 18
Lorsqu’une couche est entièrement remplie on dit qu’elle est saturée.
La répartition finale des électrons dans les couches électroniques s’appelle structure électronique.
Méthode de détermination de la structure électronique d’un atome :
1) On détermine le nombre d’électrons présents dans l’atome.
2) On remplit en premier la couche K jusqu’à atteindre le nombre maximal d’électron que cette
couche puisse accueillir : (K)2
3) Puis on remplit la couche supérieure L jusqu’à atteindre le nombre maximal d’électron que cette
couche puisse accueillir : (K)2 (L)8
4) Puis on remplit la couche M : (K)2 (L)8(M)1…
Ex : Écrire la structure électronique des atomes suivants :
O
16
8 comporte Z = 8 protons donc 8 électrons. La structure électronique est (K)2 (L)6
Cl
35
17 comporte Z = 17 protons donc 17 électrons. La structure électronique est (K)2 (L)8 (M)7
La dernière couche électronique qui est occupée s’appelle couche électronique externe.

III. Comment calculer la masse d’un atome ?
Un atome dont le noyau a pour symbole X
A
Zcomporte donc :
 Z protons
 Z électrons
 (A – Z) neutrons
Ainsi la masse de cet atome est donc : m at = Z × m e + Z × m p + (A – Z) × m n
Or 3
e
p102
m
m⋅≅ donc le terme Z × m e est négligeable devant les autres. Or m 1 neutron = m 1 proton donc
m atome = A × m 1 neutron = A × m 1 proton= A× m 1 nucléon
La masse d’un atome est essentiellement concentrée dans son noyau !!
Ex : Calculer la masse d’un atome de carbone C
12
6sachant que la masse d’un nucléon vaut
mp = 1,67·10−27 kg.
m C = 12 × mp A.N. : m C = 12 × 1,7⋅10–27 = 2,04·10–26 kg
IV. Comment prévoir l’existence des ions monoatomiques ?
IV.1. Règle du duet et règle de l’octet
La stabilité chimique des éléments est directement liée à leur structure électronique.
Les éléments ayant leur couche électronique externe saturée présentent une grande inertie
chimique.
C’est le cas des gaz nobles ou gaz rares : He, Ne, Ar, Kr (Krypton), Xe (Xénon) et Rn (radon)
Pour acquérir cette stabilité les atomes des autres éléments s’assemblent en molécules ou donnent
des ions. Ils évoluent de manière à avoir une couche externe saturée.
On dit qu’ils suivent soit la règle du duet soit la règle de l’octet.
Règle du duet : les atomes de numéro atomique inférieur ou égal à 4 (Z ≤ 4) évoluent de manière à
avoir 2 électrons (un duet) sur leur couche externe. (Pour les atomes H, Li et Be)
Règle de l’octet : les atomes de numéro atomique supérieur ou égal à 5 (Z ≥ 5) évoluent de manière à
avoir 8 électrons (un octet) sur leur couche externe. (Pour les autres atomes)
IV.2. Existence des ions monoatomiques
Un ion (monoatomique) est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
Si c’est un groupement d’atomes alors on parlera d’ion polyatomique.
La plus grande stabilité est atteinte lorsque la couche électronique externe est saturée.
Les atomes suivent les règles du duet et de l’octet pour former des ions monoatomiques en :
 Gagnant un ou plusieurs électrons sur sa couche électronique externe pour devenir un anion
Ex :
Le chlore (Z = 17) a pour structure électronique (K)2 (L)8 (M)7 , il peut gagner 1 électron pour donner
l’ion chlorure Cl– de structure électronique (K)2 (L)8 (M)8
ou
 Perdant un ou plusieurs électrons sur sa couche électronique externe pour devenir un cation
Ex :
Le magnésium (Z = 12) a pour structure électronique (K)2 (L)8 (M)2, il peut perdre 2 électrons pour
donner l’ion magnésium Mg2+ de structure électronique (K)2 (L)8

V. Comment identifier certains ions ?
Ion à identifier Test caractéristique Équation bilan
2+
(aq)
Cu (bleu clair)
Cuivre II
Ajout de quelques gouttes de soude
(ions (aq) (aq)
Na HO
+−
+, incolore)
→ formation d’un précipité bleu foncé
d’hydroxyde de cuivre II 2(s)
Cu(OH)
2
(aq) (aq) 2(s)
Cu 2 HO Cu(OH)
+−
+→
2+
(aq)
Fe (vert clair)
Fer II
Ajout de quelques gouttes de soude
(ions (aq) (aq) Na HO
+−
+, incolore)
→ formation d’un précipité vert foncé d’hydroxyde
de fer II 2(s)
Fe(OH)
2
(aq) (aq) 2(s)
Fe 2 HO Fe(OH)
+−
+→
3+
(aq)
Fe (orange
clair)
Fer III
Ajout de quelques gouttes de soude
(ions (aq) (aq)
Na HO
+−
+, incolore)
→ formation d’un précipité orange d’hydroxyde de
fer III 3(s)
Fe(OH)
3
(aq) (aq) 3(s)
Fe 3 HO Fe(OH)
+−
+→
2+
(aq)
Zn (incolore)
Zinc
Ajout de quelques gouttes de soude
(ions (aq) (aq) Na HO
+−
+, incolore)
→ formation d’un précipité blanc d’hydroxyde de
zinc 2(s)
Zn(OH)
2
(aq) (aq) 2(s)
Zn 2 HO Zn(OH)
+−
+→
−
(aq)
Cl (incolore)
Chlorure
Ajout de quelques gouttes de nitrate d’argent
(ions (aq) 3(aq)
Ag NO
+−
+, incolore)
→ formation d’un précipité blanc de chlorure
d’argent (s)
AgCl qui noircit à la lumière
(aq) (aq) (s)
Cl Ag AgCl
−+
+→
Ex : En fin de journée, un chimiste découvre une bouteille dont l’étiquette est très abîmée. Le seul
renseignement qu’il arrive à lire est « CHLORURE de …..»
Avant de rentrer chez lui il veut identifier le contenu de la bouteille.
Pour identifier le composé présent en solution et compléter l’étiquette, il décide de procéder à un test
des ions. Il observe la formation d’un précipité vert lors de l’ajout de quelques gouttes de soude.
1) En déduire la formule du cation présent dans la bouteille et compléter le nom de l’étiquette.
C’est donc les ions 2+
(aq)
Fe car le précipité vert correspond à de l’hydroxyde de fer II 2(s) Fe(OH)
L’étiquette porte donc le nom de CHLORURE DE FER II.
Il est parti en laissant la bouteille ouverte et le lendemain il décide de tester à nouveau la solution.
Étrangement l’ajout de soude ne donne pas un précipité vert mais un précipité orange !??
2) Quel ion a été mis en évidence ?
C’est donc les ions 3+
(aq)
Fe car le précipité orange correspond à de l’hydroxyde de fer III 3(s) Fe(OH)
3) Qu’a-t-il pu se passer ?
L’ion 2+
(aq)
Fe s’est oxydé en ion 3+
(aq)
Fe