Constitution de la matière/Structure de l'atome

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Une structure lacunaire

Le rayon du noyau de l'atome étant 100 000 fois plus petit que celui de l'atome, le volume occupé par le noyau de l'atome est environ 10⁵ fois plus petit que le volume occupé par l'atome.

Entre la périphérie de l'atome et le noyau, il y a du vide dans lequel gravitent les électrons.

Le vide occupe ainsi la très grande majorité du volume de l'atome, d'où l'adjectif lacunaire.

Charge de l'atome

L'atome est composé de neutrons (qui sont électriquement neutres), de protons (chargés positivement), et d'électrons (chargés négativement).

Il est électriquement neutre. En effet, comme la charge du proton (notée +e) et la charge de l'électron (notée -e) sont exactement opposées et que l'atome renferme le même nombre de protons et d'électrons, alors les charges électriques des protons et des électrons s'annulent et l'atome est électriquement neutre.

Masse de l'atome

Définition

La masse d'un atome est la somme de la masse des électrons, de la masse des protons et de la masse des neutrons

m_atome = m_électrons + m_protons + m_neutrons

Le noyau

Les particules qui le constituent

Le noyau est composé de neutrons et de protons, ce sont des nucléons. Les protons (notés p) et les neutrons (notés n) ont sensiblement la même masse, mais ils ont une charge différente.

• masse du proton : m_p = 1,673 × 10^-27 kg
• masse du neutron : m_n = 1,675 × 10^-27 kg

D'où m_p ≈ m_n.

L'unité de charge est le Coulomb (C).

Le neutron étant électriquement neutre (d'où son nom) sa charge est égale à 0 C.

La charge du proton est aussi la charge élémentaire e, qui est la plus petite charge électrique que puisse porter une particule.

Définition

$e=1,6\times 10^{-19}\,\mathrm {C}$

Définition des notations Z et A

• Z est le numéro atomique, il correspond au nombre de protons contenus dans le noyau; on l'appelle aussi nombre de charges.
• A correspond au nombre de nucléons (protons et neutrons) ou nombre de masses.

La représentation symbolique d'un atome est : $_{Z}^{A}\mathrm {X}$ (où X est le symbole de l'atome)

Le nombre de neutrons d'un atome est alors égal à A-Z.

Début de l'exemple

Exemple

L'atome d'or : $_{79}^{197}\mathrm {Au}$ (Au est le symbole chimique de l'or)

197 : le noyau contient 197 nucléons.
79 : le noyau contient 79 protons et l'atome 79 électrons.
197-79 = 118 : le noyau contient donc 118 neutrons.

L'atome d'or $_{79}^{197}\mathrm {Au}$ est donc composé de 118 neutrons, 79 protons et 79 électrons.

Fin de l'exemple

Charge du noyau

Le noyau étant composé de neutrons et de protons, il est donc chargé positivement.

La charge du noyau est égale au produit du nombre de protons ( Z ) par la charge d'un proton ( e)

Propriété

Q_noyau = Z × e

Début de l'exemple

Exemple

Pour l'atome d'or, Z = 79

Q_{noyau or} = 79 × e
Q_{noyau or} = 79 × 1,6 × 10⁻¹⁹
Q_{noyau or} = 1,3 × 10^-17 C

Fin de l'exemple

Noyaux isotopes

Les isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique Z, mais un nombre de masse A différent.
Ils ont le même nombre de protons et d'électrons mais un nombre de neutrons différent.
Un atome peut avoir plusieurs isotopes.

Début de l'exemple

Exemple

Le carbone $_{6}^{A}\mathrm {C}$ (« l'élément carbone ») a plusieurs isotopes dont le plus connu est le $_{6}^{14}\mathrm {C}$ appelé « carbone 14 », le plus commun sur terre est le $_{6}^{12}\mathrm {C}$ appelé « carbone 12».

Fin de l'exemple

Le nuage électronique

Le nuage électronique est composé d'électrons, notés e⁻. L'électron est chargé négativement, de charge -e, soit - 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
La masse de l'électron est : m_e⁻ = 9,109 × 10^-31 kg, soit environ 2000 fois plus faible que celle des protons et des neutrons, elle sera souvent négligée.

La charge d'un nuage électronique est égale à :

Propriété

Q_nuage = Z × (-e)

Répartition des électrons

Les électrons sont répartis en différentes couches électroniques. Ces couches sont désignées par les lettres K, L, M, etc.

Chaque couche ne peut contenir qu'un nombre défini d'électrons :

• K peut contenir 2 électrons
• L peut en contenir 8
• M peut en contenir 18

Pour écrire la structure électronique d'un atome, on remplit successivement les couches en commençant par la couche K, puis L, puis M.
La dernière couche contenant les électrons s’appelle la couche externe, les autres couches, plus proches du noyau, sont dites couches internes.

Début de l'exemple

Exemple

Atome de phosphore ¹⁵P. Il possède donc 15 électrons.

Couche K : 2 électrons (il reste 13 électrons)
Couche L : 8 électrons (il reste 5 électrons)
Couche M : 5 électrons (la couche externe n’est pas obligatoirement remplie).

La structure électronique de l'atome de phosphore est : (K)² (L)⁸ (M)⁵

Fin de l'exemple

Ici les couches K et L sont dites saturées car elles ne peuvent plus accepter d'électrons.

Les atomes dont les couches électroniques externes sont saturées sont les atomes les plus stables, ce sont les gaz nobles, comme l'hélium, le néon ou l'argon.

Début de l'exemple

Exemple

Hélium : He : (K)²
Néon : Ne : (K)² (L)⁸
Argon : Ar : (K)² (L)⁸ (M)⁸

Fin de l'exemple

Masse de l'atome

Nous avons vu que la masse du proton et du neutron étaient à peu près égales et que la masse de l'électron était négligeable face à la masse de ces particules, on peut donc formuler la masse de l'atome comme ceci :

m_atome = m_électrons + m_protons + m_neutrons
m_atome ≈ m_protons + m_neutrons
m_atome ≈ m_nucléons

Propriété

m_atome ≈ A × masse d'un proton = A × m_p

ou

m_atome ≈ A × masse d'un neutron = A × m_n

( la masse des Z électrons est négligeable)

• m_p/m_n et m_protons/m_neutrons sont différents :

La masse d'un proton m_p est une constante (sa valeur est toujours la même) et le rapport m_p/m_n est égal à 1,6 × 10^-27 kg
m_protons est une variable (elle peut prendre différentes valeurs selon les atomes) et correspond ici à la masse de TOUS les protons du noyau de l'atome.

Liens avec Wikipédia

Atome