1. La structure de l’atome
1.1 Noyau et électrons
Toute la matière est constituée d’atomes. Un atome comporte deux parties :
- un noyau central, formé de protons et de neutrons, appelés ensemble nucléons ;
- des électrons en mouvement autour du noyau, qui forment le cortège électronique.
| Particule | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|
| Proton | +e | mp ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Neutron | 0 (neutre) | mn ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Électron | −e | me ≈ 9,11 × 10⁻³¹ kg |
La charge élémentaire vaut e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (en coulombs). Protons et neutrons ont pratiquement la même masse : on parle de la masse d’un nucléon, mnucléon ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg.
Un atome contient autant d’électrons que de protons : il est électriquement neutre.
1.2 Ordres de grandeur : une structure lacunaire
Le diamètre d’un noyau est de l’ordre de 10⁻¹⁵ m (1 femtomètre, noté fm), celui d’un atome de l’ordre de 10⁻¹⁰ m (1 angström, noté Å, soit 0,1 nm).
10⁻¹⁰ / 10⁻¹⁵ = 10⁵
L’atome est donc environ 100 000 fois plus grand que son noyau. Si le noyau avait la taille d’une bille de 1 cm, l’atome aurait un diamètre d’environ 1 km. Entre le noyau et les électrons, il n’y a que du vide : on dit que la matière a une structure lacunaire.
Un électron est environ 1 800 fois plus léger qu’un nucléon. La masse des électrons est donc négligeable, et la masse d’un atome est pratiquement égale à celle de son noyau :
matome ≈ mnoyau ≈ A × mnucléon
1.3 L’écriture conventionnelle du noyau
- Le numéro atomique Z (ou nombre de charge) est le nombre de protons du noyau.
- Le nombre de masse A est le nombre de nucléons (protons + neutrons) du noyau.
- Le nombre de neutrons vaut donc N = A − Z.
Le noyau d’un atome de symbole X se note : AZX
Le noyau contient Z protons de charge +e chacun, et les neutrons ne portent pas de charge. La charge du noyau est donc :
Qnoyau = Z × e
- Protons : Z = 16 ; neutrons : N = 32 − 16 = 16 ; électrons : 16 (atome neutre).
- Charge du noyau : Q = 16 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 2,56 × 10⁻¹⁸ C.
- Masse de l’atome : m ≈ 32 × 1,67 × 10⁻²⁷ ≈ 5,34 × 10⁻²⁶ kg.
- Nombre d’atomes dans 1,0 g de soufre : N = 1,0 × 10⁻³ / 5,34 × 10⁻²⁶ ≈ 1,9 × 10²² atomes.
- A est un nombre de particules, sans unité : ce n’est pas une masse en kilogrammes.
- Pour calculer une masse, on travaille en kilogrammes : pensez à convertir les grammes (1 g = 10⁻³ kg).
1.4 Élément chimique et isotopes
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z. Tous les atomes ou ions ayant le même Z appartiennent au même élément.
Des isotopes sont des atomes de même numéro atomique Z mais de nombres de masse A différents : ils ont le même nombre de protons mais pas le même nombre de neutrons.
3517Cl possède 17 protons et 18 neutrons ; 3717Cl possède 17 protons et 20 neutrons. Ce sont deux isotopes de l’élément chlore.
2. Le cortège électronique
2.1 L’apport de la mécanique quantique
Le modèle de Bohr représentait les électrons sur des trajectoires circulaires, comme des planètes autour du Soleil. On sait aujourd’hui que c’est impossible : on ne peut pas connaître la position exacte d’un électron à un instant donné. On peut seulement décrire les zones de l’espace où il a de grandes chances de se trouver : ce sont les orbitales atomiques.
- Les électrons se répartissent sur des couches électroniques numérotées par un entier n = 1, 2, 3… Plus n est grand, plus les électrons sont en moyenne éloignés du noyau, et plus leur énergie est élevée.
- Chaque couche est divisée en sous-couches, notées par une lettre : s ou p au programme de Seconde. Une sous-couche est désignée par le numéro de la couche suivi de la lettre : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p…
2.2 Les sous-couches s et p
- Une sous-couche s contient au maximum 2 électrons.
- Une sous-couche p contient au maximum 6 électrons.
| Couche | Sous-couches | Nombre maximal d’électrons |
|---|---|---|
| n = 1 | 1s | 2 |
| n = 2 | 2s, 2p | 2 + 6 = 8 |
| n = 3 | 3s, 3p (étudiées en Seconde) | 2 + 6 = 8 |
2.3 La configuration électronique
La configuration électronique d’un atome indique la répartition de ses électrons dans les sous-couches. On écrit chaque sous-couche occupée avec, en exposant, le nombre d’électrons qu’elle contient. Exemple : 1s² 2s² 2p³.
À l’état fondamental (état de plus basse énergie, le plus stable), les électrons occupent d’abord les sous-couches de plus basse énergie.
Les sous-couches se remplissent dans l’ordre suivant, chacune devant être pleine avant de passer à la suivante :
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s
En Seconde, on se limite aux atomes de numéro atomique Z ≤ 18, c’est-à-dire jusqu’à la sous-couche 3p.
- Déterminer le nombre d’électrons : pour un atome neutre, il est égal à Z.
- Remplir les sous-couches dans l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, en respectant les capacités (2 pour s, 6 pour p).
- Vérifier que la somme des exposants est égale au nombre d’électrons.
- Azote N (Z = 7), 7 électrons : 1s² 2s² 2p³ (2 + 2 + 3 = 7).
- Aluminium Al (Z = 13), 13 électrons : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ (2 + 2 + 6 + 2 + 1 = 13).
- Argon Ar (Z = 18), 18 électrons : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.
2.4 Les électrons de valence
La couche de valence est la dernière couche occupée, celle de plus grand numéro n. Les électrons qui s’y trouvent sont les électrons de valence. Les autres sont appelés électrons de cœur.
Ce sont les électrons de valence qui interviennent dans les transformations chimiques.
1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ : la dernière couche est n = 3, elle contient 2 + 1 = 3 électrons de valence (3s² 3p¹). Les 10 autres électrons sont des électrons de cœur.
Les électrons de valence sont ceux de la dernière couche, pas de la dernière sous-couche. Pour l’aluminium, il y en a 3 (3s² 3p¹), et non 1.
3. La classification périodique
3.1 Organisation du tableau
En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev range les éléments connus selon leurs propriétés et laisse des cases vides pour des éléments encore inconnus, dont il prédit l’existence. La classification actuelle reprend cette idée.
- Chaque élément est représenté par un symbole d’une ou deux lettres, la première en majuscule (C, Cl, Na…).
- Les éléments sont rangés par numéro atomique Z croissant.
- Une ligne du tableau est une période.
- Une colonne du tableau est un groupe (ou famille chimique).
3.2 Lien entre position et configuration électronique
- Le numéro de la période est égal au numéro n de la couche de valence.
- Les atomes d’une même colonne ont le même nombre d’électrons de valence (et une couche de valence de même structure). C’est pourquoi ils ont des propriétés chimiques semblables.
- Colonnes 1 et 2 : 1 et 2 électrons de valence. Colonnes 13 à 18 : 3 à 8 électrons de valence (sauf l’hélium, qui n’en a que 2).
- Écrire la configuration électronique.
- Le plus grand n donne la période.
- Compter les électrons de valence : 1 ou 2 → colonne 1 ou 2 ; de 3 à 8 → colonne 10 + (nombre d’électrons de valence), soit 13 à 18.
On peut aussi faire le chemin inverse : à partir de la position, on retrouve la couche de valence, puis la configuration complète et Z.
- Phosphore P (Z = 15) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p³. Couche de valence n = 3 → 3ᵉ période ; 5 électrons de valence → colonne 15.
- Un élément situé en 2ᵉ période, colonne 16 : sa couche de valence est n = 2 et contient 6 électrons, soit 2s² 2p⁴. Configuration : 1s² 2s² 2p⁴, donc Z = 8 : c’est l’oxygène.
3.3 Les familles chimiques
| Famille | Colonne | Couche de valence | Exemples |
|---|---|---|---|
| Alcalins | 1 (sauf H) | ns¹ | Li, Na, K |
| Alcalino-terreux | 2 | ns² | Be, Mg, Ca |
| Halogènes | 17 | ns² np⁵ | F, Cl, Br |
| Gaz nobles | 18 | ns² np⁶ (1s² pour He) | He, Ne, Ar |
Les gaz nobles ont une couche de valence complète. Cette configuration les rend particulièrement stables : ils ne réagissent quasiment avec aucun autre élément. Les autres atomes vont chercher à atteindre cette stabilité, ce qui sera l’objet du chapitre suivant (ions monoatomiques et molécules).
- L’hydrogène est placé dans la colonne 1, mais il ne fait pas partie des alcalins.
- L’hélium est dans la colonne 18 avec seulement 2 électrons de valence : sa couche n = 1 est pleine avec 2 électrons.
- Les halogènes ne sont pas tous des gaz : le dibrome est liquide et le diiode solide à température ambiante.
À retenir
- Un atome est formé d’un noyau (Z protons et A − Z neutrons) et de Z électrons ; il est électriquement neutre.
- Noyau : environ 10⁻¹⁵ m ; atome : environ 10⁻¹⁰ m. La matière est lacunaire et la masse est concentrée dans le noyau.
- Qnoyau = Z × e avec e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; matome ≈ A × mnucléon avec mnucléon = 1,67 × 10⁻²⁷ kg.
- Un élément chimique est défini par Z ; des isotopes ont le même Z et des A différents.
- Sous-couche s : 2 électrons au maximum ; sous-couche p : 6 électrons au maximum.
- Ordre de remplissage : 1s → 2s → 2p → 3s → 3p.
- Électrons de valence = électrons de la dernière couche (plus grand n).
- Période = numéro de la couche de valence ; même colonne = même nombre d’électrons de valence.
- Familles : alcalins (col. 1), alcalino-terreux (col. 2), halogènes (col. 17), gaz nobles (col. 18).
4. Exercices d’application
Exercice 1. Compléter le tableau.
| Noyau | Protons | Neutrons | Électrons de l’atome |
|---|---|---|---|
| 2412Mg | |||
| 199F | |||
| 4020Ca |
Exercice 2. Le noyau d’un atome porte une charge Q = 1,12 × 10⁻¹⁸ C.
- Déterminer son numéro atomique et identifier l’élément à l’aide du tableau périodique.
- Écrire sa configuration électronique et donner son nombre d’électrons de valence.
- En déduire sa position (période et colonne) dans la classification.
Exercice 3. L’atome de néon 2010Ne est utilisé dans certaines enseignes lumineuses.
- Calculer la masse d’un atome de néon.
- Combien d’atomes contient un échantillon de 2,0 g de néon ?
Exercice 4. Un élément est situé dans la 3ᵉ période et la 2ᵉ colonne.
- Écrire la configuration électronique de son atome.
- En déduire Z, le nom de l’élément et sa famille chimique.
Exercice 5. Les noyaux 126C et 146C appartiennent-ils au même élément ? Justifier, puis indiquer ce qui les différencie.
Corrigés
Exercice 1. Mg : 12 protons, 24 − 12 = 12 neutrons, 12 électrons. F : 9 protons, 10 neutrons, 9 électrons. Ca : 20 protons, 20 neutrons, 20 électrons.
Exercice 2.
- Z = Q / e = 1,12 × 10⁻¹⁸ / 1,6 × 10⁻¹⁹ = 7. C’est l’azote, N.
- 1s² 2s² 2p³ ; la couche de valence n = 2 contient 2 + 3 = 5 électrons de valence.
- 2ᵉ période (n = 2), colonne 15 (5 électrons de valence).
Exercice 3.
- m = 20 × 1,67 × 10⁻²⁷ ≈ 3,34 × 10⁻²⁶ kg.
- N = 2,0 × 10⁻³ / 3,34 × 10⁻²⁶ ≈ 6,0 × 10²² atomes.
Exercice 4.
- Période 3 → couche de valence n = 3 ; colonne 2 → 2 électrons de valence : 3s². Configuration : 1s² 2s² 2p⁶ 3s².
- Z = 2 + 2 + 6 + 2 = 12 : c’est le magnésium, Mg, de la famille des alcalino-terreux.
Exercice 5. Oui : les deux noyaux ont Z = 6, donc ils appartiennent tous deux à l’élément carbone. Ce sont des isotopes : le carbone 12 possède 6 neutrons, le carbone 14 en possède 8.