⚗ Physique-Chimie · Chimie Seconde Générale · Chapitre 3

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)

Matérielsource de particules alpha (noyaux d'hélium, chargés positivement), feuille d'or très mince, écran fluorescent circulaire.
ProtocoleOn bombarde la feuille d'or avec les particules alpha et on repère sur l'écran où elles arrivent.
source ?feuille d'orécran
La plupart des particules traversent la feuille sans être déviées ; quelques-unes sont fortement déviées ou renvoyées.
ObservationLa quasi-totalité des particules traversent la feuille en ligne droite ; une infime minorité est fortement déviée, voire renvoyée en arrière.
InterprétationLa matière est essentiellement vide (structure lacunaire). Presque toute la masse et la charge positive sont concentrées dans un noyau minuscule, qui dévie les rares particules passant très près.

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 $N = A - Z$.

? proton (+e)? neutron (0)? électron (?e)??Li : Z = 3, A = 63 protons, 3 neutrons3 électrons
Modèle de l'atome de lithium 6 (noyau très agrandi, pas à l'échelle).

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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1

Composition d'un atome

★☆☆

Donner la composition de l'atome de sodium $^{23}_{11}\text{Na}$.

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2

Notation

★☆☆

Un atome contient $17$ protons et $18$ neutrons ; c'est du chlore (Cl). Écrire la notation de son noyau.

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3

Isotopes

★☆☆

$^{12}_{6}\text{C}$, $^{13}_{6}\text{C}$ et $^{14}_{6}\text{C}$ sont-ils des isotopes ? Qu'est-ce qui les différencie ?

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4

Masse d'un atome

★★☆

Calculer la masse d'un atome de fer $^{56}_{26}\text{Fe}$ ($m_n = 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg).

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5

Nombre d'atomes

★★☆

Combien d'atomes de fer y a-t-il dans un clou de $2{,}0$ g ?

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6

Charge du noyau

★★☆

Calculer la charge électrique du noyau de l'atome d'oxygène ($Z = 8$), puis celle de l'atome entier.

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7

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 ?

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8

Rutherford

★★☆

Dans l'expérience de Rutherford, pourquoi la plupart des particules alpha ne sont-elles pas déviées ?

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9

Configurations électroniques

★☆☆

Écrire la configuration électronique de : $\text{C}$ ($Z = 6$), $\text{N}$ ($Z = 7$), $\text{Mg}$ ($Z = 12$), $\text{Ar}$ ($Z = 18$).

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10

Électrons de valence

★★☆

Combien d'électrons de valence possèdent C, N, O, Cl ? Sur quelle couche ?

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11

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).

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12

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 ?

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13

Même colonne

★★☆

Le lithium ($Z = 3$) et le sodium ($Z = 11$) sont dans la même colonne. Le vérifier avec leurs configurations.

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14

Élément chimique

★☆☆

Qu'ont en commun l'atome de cuivre et l'ion cuivre $\text{Cu}^{2+}$ ?

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15

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 ?

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16

Carbone 14

★★★

Le carbone 14 est radioactif. Donner la composition de son noyau et calculer la masse d'un atome de carbone 14.

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17

Ordre de grandeur

★★☆

Environ combien d'atomes de rayon $10^{-10}$ m peut-on aligner sur $1$ mm ?

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18

Identifier un atome

★★☆

Un atome a $20$ électrons et $20$ neutrons. Donner $Z$, $A$ et identifier l'élément (Ca : 20 ; K : 19).

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19

Sous-couches

★★☆

Combien d'électrons au maximum peut contenir la couche $2$ ? La couche $3$ (avec seulement $3s$ et $3p$) ?

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20

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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