L'atome et sa structure
Composition de l'atome, noyau, notation symbolique, isotopes, dimensions et masse, cortège électronique et configuration électronique.
1. Un atome presque vide
Expérience · L'expérience de Rutherford (1909)
2. Composition de l'atome
Définition
Un atome est constitué d'un noyau (formé de nucléons : protons positifs et neutrons neutres) et d'électrons négatifs en mouvement autour du noyau. Il est électriquement neutre : autant d'électrons que de protons.
Définition · Notation symbolique
Le noyau d'un atome est noté $^A_Z\text{X}$ : $Z$ est le numéro atomique (nombre de protons) et $A$ le nombre de masse (nombre de nucléons). Le nombre de neutrons vaut $N = A - Z$.
Propriété · Charges et masses
Charge élémentaire $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C. Masse d'un nucléon $m_n \approx 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg ; masse d'un électron $\approx 9{,}1 \times 10^{-31}$ kg, environ $2\,000$ fois plus petite : la masse de l'atome est concentrée dans le noyau, $m_\text{atome} \approx A \times m_n$.
Propriété · Dimensions
Rayon d'un atome : environ $10^{-10}$ m ; rayon du noyau : environ $10^{-15}$ m. L'atome est environ $100\,000$ fois plus grand que son noyau.
Définition · Isotopes
Des isotopes ont le même nombre de protons $Z$ mais des nombres de neutrons différents : $^{12}_{6}\text{C}$ et $^{14}_{6}\text{C}$. Ils appartiennent au même élément chimique.
3. Le cortège électronique
Définition · Configuration électronique
Les électrons se répartissent en couches (numérotées $1, 2, 3$) et sous-couches ($s$ : $2$ électrons maximum, $p$ : $6$ maximum), remplies dans l'ordre : $1s\,2s\,2p\,3s\,3p$.
Exemple
Oxygène ($Z = 8$) : $1s^2\,2s^2\,2p^4$. Sodium ($Z = 11$) : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^1$. Chlore ($Z = 17$) : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$.
Définition · Électrons de valence
Les électrons de la dernière couche occupée sont les électrons de valence : ce sont eux qui interviennent dans les transformations chimiques. Le numéro de la ligne du tableau périodique correspond à la dernière couche ; les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons de valence.
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Exercices corrigés
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Composition d'un atome
★☆☆Donner la composition de l'atome de sodium $^{23}_{11}\text{Na}$.
Notation
★☆☆Un atome contient $17$ protons et $18$ neutrons ; c'est du chlore (Cl). Écrire la notation de son noyau.
Isotopes
★☆☆$^{12}_{6}\text{C}$, $^{13}_{6}\text{C}$ et $^{14}_{6}\text{C}$ sont-ils des isotopes ? Qu'est-ce qui les différencie ?
Masse d'un atome
★★☆Calculer la masse d'un atome de fer $^{56}_{26}\text{Fe}$ ($m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg).
Nombre d'atomes
★★☆Combien d'atomes de fer y a-t-il dans un clou de $2{,}0$ g ?
Charge du noyau
★★☆Calculer la charge électrique du noyau de l'atome d'oxygène ($Z = 8$), puis celle de l'atome entier.
Rapport de tailles
★★☆Le rayon de l'atome d'hydrogène est $5{,}3 \times 10^{-11}$ m et celui de son noyau $1{,}2 \times 10^{-15}$ m. Calculer le rapport. Si le noyau était une bille de $1$ cm de rayon, quel serait le rayon de l'atome ?
Rutherford
★★☆Dans l'expérience de Rutherford, pourquoi la plupart des particules alpha ne sont-elles pas déviées ?
Configurations électroniques
★☆☆Écrire la configuration électronique de : $\text{C}$ ($Z = 6$), $\text{N}$ ($Z = 7$), $\text{Mg}$ ($Z = 12$), $\text{Ar}$ ($Z = 18$).
Électrons de valence
★★☆Combien d'électrons de valence possèdent C, N, O, Cl ? Sur quelle couche ?
Retrouver Z
★★☆Un atome a pour configuration $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$. Quel est son numéro atomique ? Identifier l'élément (Al : 13 ; Si : 14 ; P : 15).
Place dans le tableau
★★☆Le soufre a pour configuration $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$. Dans quelle ligne et quelle colonne (sur 8, sans les éléments de transition) se trouve-t-il ?
Même colonne
★★☆Le lithium ($Z = 3$) et le sodium ($Z = 11$) sont dans la même colonne. Le vérifier avec leurs configurations.
Élément chimique
★☆☆Qu'ont en commun l'atome de cuivre et l'ion cuivre $\text{Cu}^{2+}$ ?
Masse de l'électron
★★☆Combien de fois la masse d'un électron est-elle plus petite que celle d'un nucléon ? Pourquoi néglige-t-on les électrons dans la masse d'un atome ?
Carbone 14
★★★Le carbone 14 est radioactif. Donner la composition de son noyau et calculer la masse d'un atome de carbone 14.
Ordre de grandeur
★★☆Environ combien d'atomes de rayon $10^{-10}$ m peut-on aligner sur $1$ mm ?
Identifier un atome
★★☆Un atome a $20$ électrons et $20$ neutrons. Donner $Z$, $A$ et identifier l'élément (Ca : 20 ; K : 19).
Sous-couches
★★☆Combien d'électrons au maximum peut contenir la couche $2$ ? La couche $3$ (avec seulement $3s$ et $3p$) ?
Vrai ou faux
★★☆a) Le noyau contient des électrons. b) Deux isotopes ont le même nombre de neutrons. c) Un atome est électriquement neutre.
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