Cours Ch2 - Modele de l`atome

1
2
nde
χ Chapitre 2 : Modèle de l'atome Partie II : Constitution de la matière
1. Existence des atomes
Toute substance, vivante ou inerte, est constituée à partir d’atomes. Ils sont le plus souvent associés les uns aux
autres pour former des assemblages plus ou moins complexes.
Ils peuvent former des réseaux cristallins (ex : les métaux et les composés ioniques comme les sels) ou des
molécules (ex : la molécule d’eau).
 Activité : « quelques épisodes de l’histoire du modèle de l’atome ».
2. Structure de l'atome
A. Modèle de l'atome
Un modèle est une représentation de ce que l'on pense être la
réalité, mais ce n'est pas la réalité.
 Actuellement, physiciens et chimistes pensent qu'un atome
peut être modélisé par une structure présentant un noyau
central autour duquel existe une zone sphérique dans laquelle il
y a une certaine probabilité de trouver les électrons.
Cette partie de l'atome est appelée nuage électronique.
On donne ci-contre un dessin d'un modèle probabiliste d'un atome
d'hélium composé d'un noyau et de seulement 2 électrons.
B. Le noyau
 Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Les nucléons sont de deux types : les protons et les
neutrons
Nom Charge Masse
Proton q
p
= e = + 1,602 . 10
-19
C m
p
= 1,673 . 10
-27
kg
Neutron q
n
= 0 m
n
= 1,675 . 10
-27
kg
Remarques :
▪ C est le symbole du Coulomb unité de charge électrique.
▪ e représente la charge électrique élémentaire . C'est la plus petite charge électrique stable que l'on
puisse isoler. Toute charge électrique s’exprime en un nombre entier de charges élémentaires : q = n . e.
 Deux nombres A et Z suffisent pour caractériser un noyau. On convient de représenter le noyau d'un atome par
le symbole :
Dans ce symbole, X représente un élément. Par exemple : O : oxygène, Cl : chlore, K : potassium.
On trouve les symboles de tous les atomes dans la classification périodique que l’on étudiera plus tard (voir rabat
de couverture arrière du manuel).
 Si l'on note N le nombre de neutrons du noyau on a : N = A - Z.
 On appelle atomes isotopes les ensembles d'atomes caractérisés par le même numéro atomique Z et des
nombres de nucléons A différents. Ce sont donc des ensembles d'atomes qui ne diffèrent que par le nombre de
leurs neutrons. Exemple : noyau de carbone 12 :
C
12
6
et noyau de carbone 14 :
C
14
6
Représentation probabiliste
d'un atome d'hélium
(vue en coupe)
Noyau
Nuage électronique
Nombre de masse
A
= nombre de nucléons
Numéro atomique
Z
= nom
bre de protons
X
A
Z
avec

2
C. Le nuage électronique
Les électrons d’un atome se déplacent à grande vitesse autour du noyau. Ils n’ont pas de trajectoire bien définie.
 On appelle nuage électronique, la région sphérique de l’espace autour du noyau où la probabilité de trouver le (ou
les) électron(s) de l'atome, à un instant donné, est maximale.
Charge Masse
Électron q
e
= -e = -1,602 . 10
-19
C m
e
= 9,1 . 10
-31
kg
Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de la masse de l'électron. Par contre il est utile de savoir que cette
masse est beaucoup plus petite que celle d'un nucléon (environ 2 000 fois plus petite) ce qui nous autorise à
négliger la masse des électrons devant celle des nucléons : m
e
est négligeable devant m
p
ou m
n
.
D. Dimensions de l'atome
L'atome d'hydrogène est représenté ci-contre (les proportions ne sont pas respectées).
Il s'agit du plus petit atome connu.
L'ordre de grandeur du rapport des diamètres atome / noyau : =
n
a
d
d
10
5
.
Ce rapport, valable pour les petits atomes, donne une bonne idée de l'espace extrêmement limité occupé par le
noyau d'un atome vis à vis de l'espace dans lequel évoluent les électrons.
E. Propriétés de l'atome
a. Neutralité électrique (ou électroneutralité) de l'atome
 L'atome est un édifice électriquement neutre (il y a autant d’électrons que de protons).
b. Structure lacunaire de l'atome
La matière constituant un atome est essentiellement concentrée dans son
noyau. Les électrons tournent autour de ce noyau. Les distances séparant
le noyau des électrons sont très grandes. Ainsi la plus grande partie
(volume) d'un atome est constituée de vide.
 C'est ce que l'on appelle une structure lacunaire.
La réalité d'une telle structure est confirmée par l'expérience de
Rutherford (1871-1937).
c. Masse d'un atome
 Les électrons ont une masse négligeable devant celle des nucléons. On peut donc considérer avec une très bonne
approximation que la masse de l'atome est pratiquement égale à la masse de son noyau.
La masse d'un atome pourra donc être écrite :
m
atome
= A . m
proton
ou, puisque m
proton
= m
neutron
m
atome
= A . m
neutron
d. Les ions monoatomiques
 Lorsqu'un atome perd ou gagne un (ou plusieurs) électron(s), il devient un ion monoatomique.
Cette transformation ne concerne que les électrons de l'atome et laisse donc le noyau inchangé . Un atome et l'ion
monoatomique qui en dérive sont caractérisés par la même valeur de Z .
Un atome, électriquement neutre, qui gagne des électrons, charges élémentaires négatives, devient un ion négatif
ou anion. On indique en haut et à droite du symbole de l'élément le nombre de charges élémentaires qu'il a gagnées.
Exemples : Cl
–
, O
2–
.
Un atome, électriquement neutre, qui perd des électrons, charges élémentaires négatives, devient un ion positif ou
cation. On indique en haut et à droite le nombre de charges élémentaires positives apparues.
Exemples : Na
+
, Ca
2+
, Al
3+
.
d
a
d
n
Électron
Noyau
Vide

3
 Application : compléter le tableau suivant :
Formule de l’ion Charge de l’ion Symbole du noyau Nb protons Nb neutrons Nb électrons
Ion chlorure Cl
-
- e
Cl
35
17
17 18 18
Ion cuivre II Cu
2+
+ 2 e
Cu
63
29
29 34 27
 Activité de découverte 3 p. 47 (structure d’un atome).
 Exercices 1 à 9 p. 59 , et 14, 15, 16, 17, 19 p. 59 et 20, 23 p. 60 .
3. L'élément chimique
A. Définition
 On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des particules, qu'il s'agisse d'atomes ou d'ions, caractérisées
par le même nombre Z de protons présents dans leur noyau.
B. Symboles des éléments
Nous connaissons à ce jour 116 éléments. Certains de ces éléments sont naturels d'autres sont artificiels. En
particulier les éléments au-delà de l'uranium (Z > 92) sont artificiels.
 Chaque élément est représenté par un symbole composé d'une lettre majuscule (ex : élément iode I) ou d'une
majuscule suivi d'une minuscule (ex : élément magnésium Mg).
C. Conservation des éléments
Au cours des réactions chimiques, les différents éléments se conservent. Les éléments présents avant la
transformation sont présents après la réaction. Il n'y a ni apparition, ni perte d'éléments au cours d'une
transformation chimique. Les éléments mis en jeu peuvent éventuellement changer de forme, c'est-à-dire qu'un
élément se présentant sous forme d'atome isolé peut se transformer en ion ou se combiner (s'assembler) à
d'autres atomes et vis versa.
Il y a conservation des éléments au cours des transformations chimiques .
Cette propriété des éléments est à la base de l'écriture des équations-bilans en chimie.
 TP n° 5 : l'élément cuivre.
 Exercices n° 27 p. 60 et 28 p. 61.
4. Un modèle du cortège électronique
A. Les couches électroniques
a. Cas de l'atome d'hydrogène
Dans le modèle probabiliste de l'atome d'hydrogène, les points présents sur le schéma
représentent la probabilité de trouver l'unique électron de cet atome à un instant donné.
L'électron a d'autant plus de chance de se trouver dans une région de l'espace autour du
noyau qu'il y a de points dans cette zone.
Il apparaît sur le schéma ci-contre une zone sphérique, centrée sur le noyau, d'épaisseur
faible et de rayon moyen r = 53 pm, dans laquelle l'électron a de grandes chances de se
trouver.
On dit que l'électron appartient à une couche dont le rayon moyen est 53 pm .
b. Cas des autres atomes
Un atome quelconque possède Z électrons dans son cortège électronique. Comme pour l'atome d'hydrogène, les
électrons d'un atome quelconque se répartissent autour du noyau sur des couches.
r = 53 pm

4
Les électrons d'un atome (ou d'un ion monoatomique) ne sont pas tous liés de la même façon au noyau. Ceux qui sont
proches du noyau y sont très liés (par des forces), ceux qui en sont plus éloignés y sont moins liés.
Les électrons qui appartiennent à une même couche sont donc situés à la même distance moyenne du noyau et sont
liés de la même façon à ce noyau.
La couche la plus proche du noyau est notée K, les suivantes sont notées dans l'ordre croissant d'éloignement : L,
M, N, O, P, Q.
B. Répartition des électrons d'un atome (ou d'un ion monoatomique).
a. Remarques
o État fondamental
Les électrons peuvent être répartis de différentes façons dans les différentes couches. Les règles de répartitions
données ci-dessous concernent ce que nous appellerons l'atome dans son état fondamental .
o Définitions
 La couche la plus éloignée du noyau qui contient des électrons est appelée couche externe.
 Les électrons de cette couche externe sont appelés électrons périphériques.
b. Règles de remplissage des couches électroniques
o Première règle
Une couche électronique ne peut contenir qu'un nombre limité d'électrons.
La couche K (première couche) peut contenir un maximum de 2 électrons (c'est-à-dire qu'elle peut
contenir 0 ; 1 ou 2 électrons).
La couche L (deuxième couche) peut contenir un maximum de 8 électrons (c'est-à-dire qu'elle peut
contenir 0 ; 1 ; ... ; 7 ou 8 électrons).
La couche M (troisième couche) peut contenir un maximum de 8 électrons (seulement pour les éléments
tels que Z ≤ 18).
Lorsqu'une couche est pleine on dit qu'elle est saturée.
o Deuxième règle
Le remplissage des couches électroniques s'effectue en commençant par la couche K.
Lorsqu'elle est saturée on remplit la couche L et ainsi de suite.
C. Répartition électronique d'un atome ou d'un ion monoatomique.
Les règles de remplissage précédentes permettent d'établir la répartition électronique d'un atome ou d'un ion
atomique de la façon suivante :
On détermine le nombre d'électrons à répartir (Z électrons pour un atome).
On écrit, côte à côte et entre parenthèses, les lettres de chaque couche contenant des électrons.
On indique, en haut et à droite de chaque parenthèse, le nombre d'électrons présents dans la couche
considérée.
Remarque : ce sont les électrons de la couche électronique externe qui déterminent la construction des édifices
chimiques. Ils sont responsables de la réactivité chimique d’un élément.
 Activité de découverte 4.1 et 4.2 p. 48 (structure électronique des atomes et des ions).
 Exercices n° 30, 32, 33, 34 p. 61.
 Exercices « le cortège électronique ».