Physique-Chimie — Seconde
L'atome, le noyau et l'élément chimique — Physique-Chimie Seconde (chapitre 4)
Structure de l'atome en seconde : entités chimiques, électroneutralité de la matière, noyau et cortège électronique, ordres de grandeur de taille et de…
Par ProfBot
L'atome, le noyau et l'élément chimique
Chapitre 4 — Constitution et transformations de la matière · Seconde générale et technologique
Les trois premiers chapitres décrivaient la matière telle qu'on la manipule : des échantillons, des masses, des volumes. On change maintenant d'échelle. Un litre d'eau contient environ $3\times10^{25}$ molécules ; chacune est faite d'atomes, chaque atome d'un noyau et d'électrons. Cette structure n'est pas une curiosité : c'est elle qui explique pourquoi le sodium forme l'ion $\mathrm{Na^{+}}$ et jamais $\mathrm{Na^{2+}}$, pourquoi l'eau a pour formule $\mathrm{H_2O}$, et pourquoi le fer reste du fer quand il rouille.
Au programme officiel. Du macroscopique au microscopique, de l'espèce chimique à l'entité ; espèces moléculaires, espèces ioniques, électroneutralité de la matière au niveau macroscopique ; entités chimiques : molécules, atomes, ions ; le noyau de l'atome, siège de sa masse et de son identité ; numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle ; élément chimique ; masse et charge électrique d'un électron, d'un proton et d'un neutron, charge électrique élémentaire, neutralité de l'atome. Citer l'ordre de grandeur de la taille d'un atome. Comparer la taille et la masse d'un atome et de son noyau. Établir l'écriture conventionnelle d'un noyau à partir de sa composition et inversement.
Capacités mathématiques : effectuer le quotient de deux grandeurs pour les comparer ; utiliser les opérations sur les puissances de 10 ; exprimer les valeurs des grandeurs en écriture scientifique.
1. De l'espèce chimique à l'entité
Définition. Une espèce chimique est une collection d'un nombre très élevé d'entités identiques. L'entité est l'objet microscopique ; l'espèce est l'échantillon macroscopique qu'on manipule.
Trois types d'entités suffisent à décrire toute la chimie de seconde.
| Entité | Ce que c'est | Exemples |
|---|---|---|
| Atome | un noyau et son cortège d'électrons, électriquement neutre | $\mathrm{H}$, $\mathrm{C}$, $\mathrm{Fe}$ |
| Molécule | plusieurs atomes liés entre eux, l'ensemble étant neutre | $\mathrm{H_2O}$, $\mathrm{CO_2}$, $\mathrm{C_2H_6O}$ |
| Ion | un atome (ion monoatomique) ou un groupe d'atomes (ion polyatomique) qui porte une charge | $\mathrm{Na^{+}}$, $\mathrm{Cl^{-}}$, $\mathrm{SO_4^{2-}}$ |
La formule chimique dit à elle seule de quel type il s'agit : une charge écrite en exposant signale un ion ; sans charge, c'est un atome (un seul symbole) ou une molécule (plusieurs).
L'électroneutralité de la matière. Un échantillon de matière, à notre échelle, est toujours électriquement neutre : les charges positives et négatives s'y compensent exactement. Un solide ionique comme le chlorure de sodium n'est donc pas fait « d'ions $\mathrm{Na^{+}}$ » tout seuls, mais d'autant d'ions $\mathrm{Na^{+}}$ que d'ions $\mathrm{Cl^{-}}$ — d'où sa formule $\mathrm{NaCl}$, qui donne le rapport des ions, pas le nombre.
Dans le chlorure de sodium, chaque ion $\mathrm{Na^{+}}$ est entouré d'ions $\mathrm{Cl^{-}}$ et réciproquement : les charges se compensent, l'ensemble est neutre. Dans le chlorure de calcium, l'ion $\mathrm{Ca^{2+}}$ porte deux charges positives : il en faut donc deux ions $\mathrm{Cl^{-}}$ pour l'équilibrer, d'où la formule $\mathrm{CaCl_2}$. C'est l'électroneutralité qui impose les indices des formules ioniques.
2. La structure de l'atome
Un atome est constitué d'un noyau central, autour duquel se déplacent des électrons : le cortège électronique.
Le noyau rassemble les protons (charge positive) et les neutrons (neutres) ; les électrons (charge négative) occupent tout le reste du volume. Le schéma est trompeur sur un point, et c'est volontaire : à l'échelle, le noyau dessiné ici devrait être cent mille fois plus petit que le cortège. Aucune figure ne peut représenter les deux à la fois.
Les trois particules ont des propriétés très différentes, qu'il faut connaître.
| Particule | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|
| Proton | $+e = +1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$ | $1{,}67\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$ |
| Neutron | nulle | $1{,}67\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$ |
| Électron | $-e = -1{,}6\times10^{-19}\ \mathrm{C}$ | $9{,}1\times10^{-31}\ \mathrm{kg}$ |
La charge élémentaire. La valeur $e = 1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{C}$ est la plus petite charge électrique qu'on puisse isoler : toutes les charges rencontrées en chimie en sont des multiples entiers. D'où son nom de charge élémentaire.
Deux comparaisons résument tout, et le programme demande de savoir les faire.
En masse. Un proton est environ $1800$ fois plus lourd qu'un électron : $\frac{m_{\text{proton}}}{m_{\text{électron}}} = \frac{1{,}67\times10^{-27}}{9{,}1\times10^{-31}} \approx 1{,}8\times10^{3}$ Les électrons ne pèsent donc quasiment rien : la masse de l'atome est celle de son noyau, à moins d'un millième près.
En taille. Un atome mesure environ $10^{-10}\ \mathrm{m}$ ($0{,}1\ \mathrm{nm}$), son noyau environ $10^{-15}\ \mathrm{m}$ : $\frac{d_{\text{atome}}}{d_{\text{noyau}}} \approx \frac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5}$
Le rapport $10^{5}$ ne se visualise pas sur une même image. On le traduit donc : si le noyau était une bille de $1\ \mathrm{cm}$ posée au centre du rond central d'un stade, le premier électron tournerait à $500\ \mathrm{m}$ de là, et l'atome entier ferait un kilomètre de diamètre. Entre les deux : du vide. La matière est essentiellement vide.
3. Numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle
Pour décrire un noyau, deux nombres suffisent.
Définitions.
— Le numéro atomique $Z$ est le nombre de protons du noyau.
— Le nombre de masse $A$ est le nombre de nucléons, c'est-à-dire le nombre total de protons et de neutrons.
— Le nombre de neutrons s'en déduit : $N = A - Z$.
L'écriture conventionnelle $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ place le nombre de masse en haut et le numéro atomique en bas, à gauche du symbole. Le noyau $^{23}_{11}\mathrm{Na}$ compte donc $11$ protons, $23$ nucléons, et $23 - 11 = 12$ neutrons. Le symbole $\mathrm{Na}$ et le numéro $Z = 11$ disent la même chose : l'un est redondant avec l'autre, et c'est bien pratique pour se contrôler.
L'atome étant neutre, il possède autant d'électrons que de protons : $Z$ électrons. Sa charge totale est nulle, puisque $Z \times (+e) + Z \times (-e) = 0$.
| Noyau | $Z$ (protons) | $A$ (nucléons) | Neutrons | Électrons de l'atome |
|---|---|---|---|---|
| $^{1}_{1}\mathrm{H}$ | 1 | 1 | 0 | 1 |
| $^{12}_{6}\mathrm{C}$ | 6 | 12 | 6 | 6 |
| $^{16}_{8}\mathrm{O}$ | 8 | 16 | 8 | 8 |
| $^{35}_{17}\mathrm{Cl}$ | 17 | 35 | 18 | 17 |
| $^{56}_{26}\mathrm{Fe}$ | 26 | 56 | 30 | 26 |
4. L'élément chimique
Définition. Tous les noyaux qui ont le même numéro atomique $Z$ appartiennent au même élément chimique. C'est $Z$ — et lui seul — qui donne son identité à l'élément et fixe son symbole.
Cette définition a trois conséquences qu'on utilisera constamment.
1. Le nombre de neutrons ne change pas l'élément. Les noyaux $^{12}_{6}\mathrm{C}$ et $^{14}_{6}\mathrm{C}$ ont tous deux $Z = 6$ : ce sont deux isotopes du carbone, et ce sont tous deux du carbone. Le chapitre 11 y reviendra.
2. Le nombre d'électrons non plus. L'atome de sodium $\mathrm{Na}$ et l'ion $\mathrm{Na^{+}}$ ont le même noyau à $11$ protons ; le second a simplement perdu un électron. L'ion sodium est encore du sodium.
3. L'élément se conserve dans les transformations chimiques. Brûler du carbone le transforme en dioxyde de carbone, mais les $6$ protons de chaque noyau y sont toujours : l'élément carbone n'a pas disparu, il a changé de partenaires. Seules les transformations nucléaires (chapitre 11) changent $Z$, donc l'élément.
Attention au mot « élément ». Un élément chimique n'est pas un objet qu'on peut poser sur la paillasse : c'est une identité, portée par les noyaux à $Z$ protons, qu'ils soient dans un atome, dans un ion ou dans une molécule. Ce qu'on manipule, ce sont des espèces chimiques.
Exercices corrigés
Exercice 1 — Lire une écriture conventionnelle
Soit les noyaux $^{27}_{13}\mathrm{Al}$, $^{40}_{20}\mathrm{Ca}$ et $^{63}_{29}\mathrm{Cu}$.
a. Donner pour chacun le nombre de protons, de neutrons et de nucléons. b. Combien d'électrons possède l'atome correspondant ? c. Quelle est la charge électrique du noyau de l'aluminium, en coulombs ?
Correction. a. Le nombre de protons est $Z$, celui de nucléons $A$, celui de neutrons $A - Z$ : — aluminium : $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons, $27$ nucléons ; — calcium : $20$ protons, $40 - 20 = 20$ neutrons, $40$ nucléons ; — cuivre : $29$ protons, $63 - 29 = 34$ neutrons, $63$ nucléons. b. L'atome est neutre : il a autant d'électrons que de protons, soit $13$, $20$ et $29$ électrons. c. Le noyau porte $13$ charges élémentaires positives : $q = 13 \times 1{,}602\times10^{-19} = 2{,}08\times10^{-18}\ \mathrm{C}$
Exercice 2 — Établir une écriture conventionnelle
Un noyau contient $16$ protons et $16$ neutrons. Le symbole du soufre est $\mathrm{S}$.
a. Donner son écriture conventionnelle. b. Un autre noyau de soufre contient $18$ neutrons. Écrire ce noyau. S'agit-il du même élément ? c. L'ion sulfure porte deux charges négatives. Combien d'électrons possède-t-il ?
Correction. a. $Z = 16$ et $A = 16 + 16 = 32$, d'où $^{32}_{16}\mathrm{S}$. b. $A = 16 + 18 = 34$, d'où $^{34}_{16}\mathrm{S}$. Le numéro atomique est inchangé : c'est le même élément, le soufre, sous la forme d'un autre isotope. c. L'atome de soufre a $16$ électrons ; l'ion $\mathrm{S^{2-}}$ en a deux de plus, soit $18$ électrons — une charge négative signifie un électron gagné.
Exercice 3 — Comparer taille et masse
Un atome de fer a un diamètre d'environ $2{,}5\times10^{-10}\ \mathrm{m}$ ; son noyau, $9{,}6\times10^{-15}\ \mathrm{m}$. Le noyau $^{56}_{26}\mathrm{Fe}$ contient $56$ nucléons.
a. Combien de fois l'atome est-il plus grand que son noyau ? b. Estimer la masse du noyau, puis celle des électrons de l'atome. c. Quelle part de la masse de l'atome les électrons représentent-ils ?
Correction. a. $\dfrac{2{,}5\times10^{-10}}{9{,}6\times10^{-15}} = 2{,}6\times10^{4}$ : l'atome est environ 26 000 fois plus grand, soit de l'ordre de $10^{4}$ à $10^{5}$. b. Noyau : $56 \times 1{,}67\times10^{-27} = 9{,}4\times10^{-26}\ \mathrm{kg}$. Électrons : $26 \times 9{,}1\times10^{-31} = 2{,}4\times10^{-29}\ \mathrm{kg}$. c. $\dfrac{2{,}4\times10^{-29}}{9{,}4\times10^{-26}} = 2{,}5\times10^{-4}$, soit $0{,}025\ \%$ : les électrons représentent moins d'un millième de la masse. Toute la masse est dans le noyau.
Exercice 4 — Électroneutralité
a. Le sulfate de cuivre solide est formé d'ions $\mathrm{Cu^{2+}}$ et $\mathrm{SO_4^{2-}}$. Quelle est sa formule ? b. Le chlorure de fer III est formé d'ions $\mathrm{Fe^{3+}}$ et $\mathrm{Cl^{-}}$. Quelle est sa formule ? c. Un échantillon contient $3{,}0\times10^{20}$ ions $\mathrm{Ca^{2+}}$. Combien contient-il d'ions $\mathrm{Cl^{-}}$ si c'est du chlorure de calcium ?
Correction. a. Les charges $+2$ et $-2$ se compensent une pour une : la formule est $\mathrm{CuSO_4}$. b. Il faut trois charges négatives pour compenser $+3$ : la formule est $\mathrm{FeCl_3}$. c. Chaque ion calcium apporte deux charges positives, chaque ion chlorure une charge négative : il en faut donc deux fois plus, soit $6{,}0\times10^{20}$ ions $\mathrm{Cl^{-}}$.
L'essentiel
- Une espèce chimique est une collection d'entités identiques : atomes, molécules ou ions.
- La matière est électriquement neutre à notre échelle : c'est ce qui fixe les indices des formules ioniques ($\mathrm{NaCl}$, $\mathrm{CaCl_2}$, $\mathrm{FeCl_3}$).
- Un atome est un noyau (protons $+e$ et neutrons) entouré de $Z$ électrons ($-e$) ; il est neutre.
- L'atome mesure $10^{-10}\ \mathrm{m}$, son noyau $10^{-15}\ \mathrm{m}$ : un rapport $10^{5}$, et du vide entre les deux.
- Un proton est $1800$ fois plus lourd qu'un électron : la masse de l'atome est dans son noyau.
- Écriture conventionnelle $^{A}_{Z}\mathrm{X}$ : $Z$ protons, $A$ nucléons, $A - Z$ neutrons.
- Un élément chimique est défini par son seul $Z$ ; il se conserve dans toute transformation chimique.