L'atome et les ions
Structure de l'atome, charges électriques et formation des ions.
1. Structure de l'atome
Définition
Un atome est constitué :
- d'un noyau central, chargé positivement, contenant les protons (charge $+$) et les neutrons (neutres) ;
- d'électrons (charge $-$) en mouvement autour du noyau.
Propriété · Neutralité
Un atome est électriquement neutre : il contient autant de protons que d'électrons. Ce nombre est le numéro atomique $Z$.
Propriété · Structure lacunaire
Le noyau est environ $100\,000$ fois plus petit que l'atome : l'atome est essentiellement constitué de vide.
2. Les ions
Définition · Ion
Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
- Perte d'électrons $\rightarrow$ ion positif (cation) : $\text{Na}^+$, $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Fe}^{3+}$.
- Gain d'électrons $\rightarrow$ ion négatif (anion) : $\text{Cl}^-$, $\text{O}^{2-}$.
Exemple
L'atome de cuivre ($Z = 29$) perd 2 électrons : l'ion $\text{Cu}^{2+}$ possède 29 protons et 27 électrons.
Propriété · Solutions ioniques
Une solution ionique est électriquement neutre et conduit le courant, contrairement à l'eau pure.
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Exercices corrigés
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Composition d'un atome
★☆☆L'atome d'oxygène a pour numéro atomique $Z = 8$. Combien a-t-il de protons et d'électrons ?
Composition d'un ion
★★☆L'atome d'aluminium ($Z = 13$) forme l'ion $\text{Al}^{3+}$. Combien cet ion a-t-il de protons et d'électrons ?
Ion chlorure
★★☆L'ion chlorure $\text{Cl}^-$ possède 18 électrons. Quel est le numéro atomique du chlore ?
Charges
★☆☆Quelle est la charge électrique d'un proton ? d'un électron ? d'un neutron ?
Atome de sodium
★☆☆L'atome de sodium a $11$ électrons. Quel est son numéro atomique ? Combien a-t-il de protons ?
Ion sodium
★★☆L'atome de sodium ($Z = 11$) perd un électron. Écrire la formule de l'ion obtenu et donner sa composition.
Ion oxyde
★★☆L'atome d'oxygène ($Z = 8$) gagne deux électrons. Formule et composition de l'ion ?
Cation ou anion ?
★☆☆Classer en cations et anions : $\text{Cu}^{2+}$, $\text{Cl}^-$, $\text{Fe}^{3+}$, $\text{SO}_4^{2-}$, $\text{H}^+$, $\text{HO}^-$.
Retrouver la charge
★★☆Un ion possède $26$ protons et $24$ électrons. Quelle est sa charge ? De quel élément s'agit-il ($Z_\text{Fe} = 26$) ?
Taille de l'atome
★★★Un atome mesure $10^{-10}$ m et son noyau $10^{-15}$ m. Si le noyau était une bille de $1$ cm, quelle serait la taille de l'atome ?
Masse de l'atome
★★☆La masse d'un électron est environ $2\,000$ fois plus petite que celle d'un proton. Où est concentrée la masse de l'atome ?
Neutralité d'une solution
★★☆Une solution contient des ions $\text{Cu}^{2+}$ et $\text{Cl}^-$. Pourquoi y a-t-il deux fois plus d'ions chlorure ?
Conduction
★★☆Pourquoi l'eau salée conduit-elle le courant alors que l'eau sucrée ne le conduit pas ?
Métaux et électrons
★★★Dans un fil de cuivre, quelles particules se déplacent pour former le courant électrique ?
Composition d'un ion polyatomique
★★★L'ion sulfate $\text{SO}_4^{2-}$ est formé d'atomes. Combien a-t-il d'atomes ? A-t-il gagné ou perdu des électrons ?
Nucléons
★★☆Le noyau de l'atome de carbone contient $6$ protons et $6$ neutrons. Combien de nucléons ?
Z et élément
★☆☆Qu'est-ce qui caractérise un élément chimique : son nombre de protons, de neutrons ou d'électrons ?
Un ion du cuivre
★★☆L'ion $\text{Cu}^{2+}$ a $27$ électrons. Combien l'atome de cuivre a-t-il de protons ?
Électrisation par frottement
★★★En frottant un ballon sur ses cheveux, le ballon se charge négativement. Que s'est-il passé à l'échelle atomique ?
Modèle historique
★★☆L'expérience de Rutherford (1911) : la plupart des particules traversent une feuille d'or sans être déviées. Que peut-on en conclure ?
Vrai ou faux
★★☆a) Un ion négatif a perdu des électrons. b) Les électrons sont dans le noyau. c) Deux atomes d'un même élément ont le même nombre de protons.
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