Structure de l’atome

Un atome, c’est un tout petit noyau chargé positivement (protons et neutrons) entouré d’électrons négatifs rangés en couches, et il est électriquement neutre.

Objectifs

Décrire l’atome : noyau (protons, neutrons) et cortège électronique (électrons).
Connaître la charge et la masse du proton, du neutron et de l’électron.
Lire et utiliser l’écriture symbolique \( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \) d’un noyau.
Comparer la taille de l’atome et celle du noyau.
Définir l’élément chimique et les isotopes.
Écrire la répartition électronique en couches K, L, M des atomes de \( Z \le 18 \) et comprendre la formation des ions.

1. De quoi est fait un atome ?

Un atome est constitué de deux parties :

un noyau central, qui contient des protons (chargés positivement) et des neutrons (neutres). Protons et neutrons sont appelés ensemble les nucléons ;
des électrons (chargés négativement) en mouvement autour du noyau : c’est le cortège électronique.

Schéma à légender

Voici un modèle simplifié de l’atome de carbone (6 électrons). Place les noms sur le schéma.

Charges et masses des particules

Particule	Charge	Masse
Proton	\( +e = +1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C} \)	\( m_p \approx 1{,}67\times10^{-27}\ \mathrm{kg} \)
Neutron	\( 0 \)	\( m_n \approx 1{,}67\times10^{-27}\ \mathrm{kg} \)
Électron	\( -e = -1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C} \)	\( m_e \approx 9{,}11\times10^{-31}\ \mathrm{kg} \)

\( e \) est la charge élémentaire. Un proton est environ 1 836 fois plus lourd qu’un électron :

\[ \frac{m_p}{m_e} \approx \frac{1{,}67\times10^{-27}}{9{,}11\times10^{-31}} \approx 1{,}8\times10^{3} \]

Quelle particule porte une charge négative ?

Le proton
Le neutron
L’électron

L’électron porte la charge \( -e \). Le proton porte \( +e \) et le neutron est neutre.

2. L’écriture symbolique du noyau

Le noyau d’un atome s’écrit :

\[ {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \]

\( \mathrm{X} \) : le symbole de l’élément (C pour carbone, O pour oxygène, Na pour sodium…) ;
\( Z \) : le numéro atomique = nombre de protons ;
\( A \) : le nombre de masse = nombre de nucléons (protons + neutrons).

Le nombre de neutrons est donc \( N = A - Z \).

Exemple résolu 1 : l’atome de sodium

Le noyau de sodium s’écrit \( {}^{23}_{11}\mathrm{Na} \). Donne sa composition, puis calcule la masse approchée de l’atome. Cherche d’abord !

Protons : \( Z = 11 \), donc 11 protons.

Neutrons : \( N = A - Z = 23 - 11 = 12 \) neutrons.

Électrons : l’atome est neutre, donc 11 électrons.

Masse : \[ m \approx A \times m_{\text{nucléon}} = 23 \times 1{,}67\times10^{-27} \approx 3{,}84\times10^{-26}\ \mathrm{kg} \]

Exemple résolu 2 : charge d’un noyau

Calcule la charge électrique \( Q \) du noyau d’oxygène \( {}^{16}_{8}\mathrm{O} \).

Voir la solution

Le noyau contient \( Z = 8 \) protons, chacun de charge \( +e \) ; les neutrons ne sont pas chargés.

\[ Q = Z \times e = 8 \times 1{,}6\times10^{-19} = 1{,}28\times10^{-18}\ \mathrm{C} \]

Combien de neutrons contient le noyau \( {}^{27}_{13}\mathrm{Al} \) ?

\( N = A - Z = 27 - 13 = 14 \) neutrons.

3. Un atome est surtout du vide

Ordres de grandeur :

rayon d’un atome : environ \( 10^{-10}\ \mathrm{m} \) ;
rayon d’un noyau : environ \( 10^{-15}\ \mathrm{m} \).

\[ \frac{r_{\text{atome}}}{r_{\text{noyau}}} \approx \frac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5} \]

L’atome est donc environ 100 000 fois plus grand que son noyau. Si le noyau avait la taille d’une bille de 1 cm, l’atome aurait un diamètre d’environ 1 km. Entre le noyau et les électrons, il n’y a que du vide : on dit que la matière a une structure lacunaire.

Où se trouve presque toute la masse d’un atome ?

Dans le noyau
Dans les électrons
Dans le vide entre le noyau et les électrons

Les nucléons sont environ 1 800 fois plus lourds que les électrons : la masse est concentrée dans le noyau, pourtant minuscule.

4. Élément chimique et isotopes

Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique \( Z \) : tous les atomes et ions ayant le même \( Z \) appartiennent au même élément.

Des isotopes sont des atomes qui ont le même nombre de protons \( Z \) mais des nombres de neutrons différents (donc des \( A \) différents).

Isotope	Protons	Neutrons
\( {}^{12}_{6}\mathrm{C} \)	6	6
\( {}^{13}_{6}\mathrm{C} \)	6	7
\( {}^{14}_{6}\mathrm{C} \)	6	8

\( {}^{35}_{17}\mathrm{Cl} \) et \( {}^{37}_{17}\mathrm{Cl} \) sont des isotopes car…

ils ont le même nombre de masse
ils ont le même nombre de neutrons
ils ont le même nombre de protons

Les deux ont \( Z = 17 \) protons ; ils diffèrent par leurs neutrons (18 et 20).

5. Répartition des électrons en couches

Les électrons se répartissent sur des couches électroniques notées K, L, M… (de la plus proche à la plus éloignée du noyau). Pour les atomes de \( Z \le 18 \) :

la couche K contient au maximum 2 électrons ;
la couche L contient au maximum 8 électrons ;
la couche M contient au maximum 8 électrons (pour \( Z \le 18 \)).

On remplit une couche complètement avant de passer à la suivante. La dernière couche occupée est la couche externe.

Exemple résolu 3 : le sodium (Z = 11), étape par étape

Étape 1 : la couche K, la plus proche du noyau, reçoit 2 électrons ; elle est pleine. Il reste 9 électrons.

Étape 2 : la couche L reçoit 8 électrons ; elle est pleine. Il reste 1 électron.

Étape 3 : le dernier électron va sur la couche M. Structure du sodium : \( (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{1} \).

Exemple résolu 4 : le chlore (Z = 17)

Écris la répartition électronique de l’atome de chlore. Cherche d’abord !

Voir la solution

17 électrons : 2 sur K, 8 sur L, il en reste \( 17 - 2 - 8 = 7 \) sur M.

\[ (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{7} \]

La couche externe (M) porte 7 électrons.

Quelle est la répartition électronique de l’atome de magnésium (Z = 12) ?

\( (\mathrm{K})^{8}(\mathrm{L})^{4} \)
\( (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{2} \)
\( (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{10} \)

2 sur K (pleine), 8 sur L (pleine), puis les 2 derniers sur M : \( 2 + 8 + 2 = 12 \).

6. Des atomes aux ions monoatomiques

Un ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Le noyau, lui, ne change pas.

Perte d’électrons → ion positif (cation) : \( \ce{Na -> Na+ + e-} \).
Gain d’électrons → ion négatif (anion) : \( \ce{Cl + e- -> Cl-} \).

Les atomes tendent à obtenir une couche externe complète, comme les gaz rares : 2 électrons si la couche externe est K (règle du duet), 8 électrons sinon (règle de l’octet).

flowchart LR
A[Atome de sodium K2 L8 M1] -->|perd 1 electron| B[Ion sodium K2 L8]
C[Atome de chlore K2 L8 M7] -->|gagne 1 electron| D[Ion chlorure K2 L8 M8]

Exercice : quel ion donne le magnésium (Z = 12) ? Voir la solution

Magnésium : \( (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{2} \). En perdant ses 2 électrons externes, il obtient \( (\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8} \), une couche externe à 8 électrons : il forme l’ion \( \ce{Mg^2+} \).

L’ion \( \ce{Cl-} \) possède…

17 protons et 18 électrons
18 protons et 17 électrons
17 protons et 16 électrons

Le chlore garde ses 17 protons et gagne 1 électron : \( 17 + 1 = 18 \) électrons, d’où la charge \( -e \).

Erreurs fréquentes

Confondre \( A \) (nucléons) et \( N \) (neutrons) : \( N = A - Z \).
Oublier que l’atome est neutre : nombre d’électrons = \( Z \).
Remplir la couche L avant que la couche K soit pleine.
Penser qu’un ion se forme en gagnant ou perdant des protons.

Récapitulatif

Atome = noyau (\( Z \) protons + \( N \) neutrons) + \( Z \) électrons ; il est neutre.
Noyau : \( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \), avec \( N = A - Z \) ; masse de l’atome \( \approx A \times 1{,}67\times10^{-27}\ \mathrm{kg} \).
L’atome est environ \( 10^{5} \) fois plus grand que son noyau : structure lacunaire.
Même \( Z \) = même élément ; même \( Z \) et \( A \) différents = isotopes.
Couches K (2 max), L (8 max), M (8 max pour \( Z \le 18 \)) ; un ion se forme par perte ou gain d’électrons.

Numéro atomique Z

Nombre de protons du noyau (et d’électrons de l’atome neutre).

Nombre de masse A

Nombre de nucléons : protons + neutrons. Neutrons : N = A − Z.

Charge élémentaire e

1,6 × 10⁻¹⁹ C : charge du proton (+e) ; l’électron porte −e.

Isotopes

Atomes de même Z mais de nombres de neutrons différents.

Couches K, L, M

2, 8 et 8 électrons au maximum (Z ≤ 18), remplies dans l’ordre.

Ion monoatomique

Atome qui a perdu (cation) ou gagné (anion) des électrons.