I. Situation d’apprentissage
Un élève de 2nde A entend dire que
tout atome possède une structure particulière. Avec sa classe et son professeur de Physique-Chimie, il cherche à :
- décrire la constitution d’un atome ;
- introduire les notions de nucléide et d’isotopes ;
- établir la structure électronique de quelques atomes simples ;
- et représenter les atomes par les schémas de Lewis.
II. Constituants de l’atome
1. L’électron
- Symbole : e⁻
- Masse : me = 9,1 × 10⁻³¹ kg
- Charge : qe = −e = −1,6 × 10⁻¹⁹ C
La grandeur e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C est appelée charge élémentaire.
2. Le noyau
Le noyau est constitué de particules appelées nucléons :
| Particule | Symbole | Charge | Masse (kg) |
|---|
| Proton | p | +e = +1,6 × 10⁻¹⁹ C | mp ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ |
| Neutron | n | 0 | mn ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ |
Un atome est donc formé :
- d’un noyau contenant des protons et des neutrons ;
- d’un nuage d’électrons qui gravitent autour du noyau.
III. Nucléides, isotopes et élément chimique
1. Numéro atomique et nombre de masse
- Numéro atomique Z : nombre de protons du noyau.
- Nombre de masse A : nombre total de nucléons (protons + neutrons).
- Si N est le nombre de neutrons : A = Z + N ⇒ N = A − Z
2. Nucléide
Un nucléide est l’ensemble des atomes dont le noyau possède le même couple (Z, A). Il est noté :
AZX avec X symbole de l’élément.
Exemples : 168O et 2311Na représentent deux nucléides différents.
3. Isotopes
Deux nucléides sont dits isotopes s’ils ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.
Exemples :
- 168O et 188O : isotopes de l’oxygène.
- 126C, 136C et 146C : isotopes du carbone.
4. Élément chimique et électroneutralité
- L’ensemble des nucléides ayant le même Z constitue un élément chimique.
- Exemples : élément hydrogène (Z = 1), azote (Z = 7), chlore (Z = 17), cuivre (Z = 29)…
Électroneutralité : dans un atome isolé, le nombre de charges positives du noyau (protons) est égal au nombre de charges négatives des électrons.
Un atome est donc électriquement neutre. Si le noyau contient Z protons, l’atome possède aussi Z électrons.
IV. Masse et dimensions de l’atome
1. Masse de l’atome
On a : mp ≈ mn ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg et me ≈ 9,1 × 10⁻³¹ kg, donc :
- mp ≈ 1836 × me
- La masse des nucléons est très supérieure à celle des électrons.
- La masse de l’atome est donc pratiquement égale à celle de son noyau : mat ≈ A × mp.
2. Dimension de l’atome
- Le rayon de l’atome est environ 100 000 fois plus grand que celui du noyau.
- Il existe donc un grand vide entre noyau et électrons : on dit que l’atome a une structure lacunaire.
V. Structure électronique et couches
1. Couches électroniques
Les électrons se répartissent sur des couches électroniques notées K, L, M, N… de la plus proche à la plus éloignée du noyau.
2. Nombre maximal d’électrons par couche
Pour une couche d’ordre n, le nombre maximal d’électrons est : 2n²
| Ordre de la couche n | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|
| Désignation | K | L | M | N |
| Nombre max. d’électrons | 2 | 8 | 18 | 32 |
3. Règle de remplissage
- Les électrons occupent d’abord la couche K, puis L, puis M, etc.
- Une couche contenant 2n² électrons est dite saturée.
- La dernière couche occupée est appelée couche externe ou couche de valence.
VI. Formule électronique et représentation de Lewis
1. Formule électronique
La formule électronique d’un atome s’obtient en répartissant ses électrons sur les couches K, L, M, N… en respectant les règles de remplissage.
Exemple : pour l’aluminium Al (Z = 13) :
- 13 électrons à placer ;
- Formule électronique : K² L⁸ M³.
2. Représentation de Lewis
La
représentation de Lewis montre uniquement les électrons de la
couche externe autour du symbole de l’élément :
- des points (●) pour les électrons célibataires ;
- des tirets (▬) pour les doublets.
Exemples (idées) :
- Pour le carbone C (Z = 6) : couche externe L avec 4 électrons.
- Pour le chlore Cl (Z = 17) : couche externe M avec 7 électrons.
- Pour l’hélium He (Z = 2) : couche externe K avec 2 électrons.
VII. Applications et exercices types
1. Nucléides et isotopes
- Compléter un tableau donnant, pour plusieurs nucléides (126C, 23592U, 168O, etc.), le nombre de protons, de neutrons et de nucléons.
- Identifier, parmi eux, les paires d’isotopes et justifier.
2. Masse approximative d’un atome
- Calculer la masse d’un atome à partir de son nombre de masse A (exemples : chlore, magnésium…).
- Montrer que la masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.
3. Structure électronique et Lewis
- Écrire la formule électronique d’atomes comme C, Cl, He, Mg, Ca.
- En déduire la représentation de Lewis de chacun.
VIII. À retenir
✔ L’atome est constitué d’un noyau (protons, neutrons) et d’électrons en mouvement autour du noyau.
✔ Les nucléides sont notés AZX ; des isotopes ont le même Z mais des A différents.
✔ La masse de l’atome est essentiellement concentrée dans le noyau (mat ≈ A × mp).
✔ Les électrons se répartissent sur des couches (K, L, M, N…) selon la règle 2n².
✔ La représentation de Lewis ne fait apparaître que les électrons de la couche externe.
Créé par Haniel_dev