Structure des atomes, tableau périodique & la mole
Comprendre la constitution de la matière, découvrir comment les scientifiques ont appris à « compter l’invisible » et relier la structure électronique au tableau périodique.
Identifier
Protons, neutrons, électrons, numéro atomique Z et nombre de masse A.
Calculer
Charges, nombre de neutrons, masse approchée et ordres de grandeur.
Configurer
Répartition des électrons dans les sous-couches 1s, 2s, 2p, 3s et 3p.
Relier
Configuration électronique, électrons de valence et position dans le tableau périodique.
Partie 01
Structure de l’atome
Un atome est une entité chimique constituée d’un noyau central autour duquel se déplacent un ou plusieurs électrons.
Le noyau atomique
Le noyau est composé de particules appelées nucléons : les protons et les neutrons. Il concentre presque toute la masse de l’atome.
A : nombre de nucléonsN = A − Z : nombre de neutrons
AZX
X : symbole de l’élémentZ : numéro atomique, donc nombre de protons
Exemple : pour le cuivre 6329Cu, le noyau contient 29 protons et 63 − 29 = 34 neutrons.
Charge du noyau et de l’atome
Chaque proton porte la charge élémentaire positive +e. Chaque électron porte la charge −e. Les neutrons sont électriquement neutres.
Proton+e = +1,6 × 10−19 C
Neutron0 C
Électron−e = −1,6 × 10−19 C
Qnoyau = Z × e et Qnuage = Z × (−e)Dans un atome neutre, les charges se compensent : Qatome = 0.
Partie 02
Le cortège électronique
Le cortège électronique regroupe tous les électrons d’un atome. Un atome étant neutre, il possède autant d’électrons que de protons, soit Z électrons.
Les électrons occupent des couches électroniques divisées en sous-couches. Pour les éléments de numéro atomique Z ≤ 18, on remplit les sous-couches dans l’ordre : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p.
Couche
Sous-couche
Maximum par sous-couche
Maximum par couche
1
1s
2
2
2
2s
2
8
2p
6
3
3s
2
8
3p
6
La couche de valence est la dernière couche occupée. Les électrons qu’elle contient sont les électrons de valence : ils déterminent en grande partie les propriétés chimiques de l’élément.
Hydrogène, Z = 1 1s¹
Carbone, Z = 6 1s² 2s² 2p²
Azote, Z = 7 1s² 2s² 2p³
Bore, Z = 5 1s² 2s² 2p¹
Magnésium, Z = 12 1s² 2s² 2p⁶ 3s²
Chlore, Z = 17 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Soufre, Z = 16 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴
Argon, Z = 18 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶
Partie 03
Taille et masse de l’atome
Une structure lacunaire
Ordre de grandeur d’un atome10−10 mEnviron un dix-milliardième de mètre.
Ordre de grandeur du noyau10−15 mEnviron cent mille fois plus petit.
L’atome est environ 105 fois plus grand que son noyau. La plus grande partie de son volume est donc constituée de vide : on dit que sa structure est lacunaire.
Vsphère = 4/3 × π × R³Cette relation permet également de comparer le volume du noyau à celui de l’atome.
Masse de l’atome
Proton1,673 × 10−27 kg
Neutron1,675 × 10−27 kg
Électron9,11 × 10−31 kg
matome = Z × mproton + (A − Z) × mneutron + Z × mélectron
La masse d’un électron est environ 1 800 fois plus faible que celle d’un nucléon. À l’échelle des calculs usuels, la masse de l’atome est donc pratiquement égale à celle de son noyau.
Partie 04
Les ions
Un ion est une espèce chimique chargée obtenue lorsqu’un atome perd ou gagne un ou plusieurs électrons. Le nombre de protons Z ne change pas.
Un cation est positif : il résulte d’une perte d’électrons. Exemple : Ca perd deux électrons et devient Ca2+.
Un anion est négatif : il résulte d’un gain d’électrons. Exemple : F gagne un électron et devient F−.
Qion = (Z − nombre d’électrons) × e
Exemple : formation de l’ion lithium
Li3 protons · 3 électrons Charge totale : 0
perd 1 électron →
Li+3 protons · 2 électrons Charge totale : +e
Partie 05
Compter l’invisible : petite histoire de la mole
Compter une à une les molécules d’un verre d’eau serait aussi impossible que compter tous les grains de sable d’une plage. Les chimistes ont donc créé une unité adaptée au monde microscopique : la mole.
L’hypothèse d’AvogadroÀ température et pression identiques, des volumes égaux de gaz contiennent le même nombre de molécules, quelle que soit la nature du gaz.
Une première estimationJohann Josef Loschmidt obtient un premier ordre de grandeur du nombre de molécules contenues dans un volume de gaz.
Jean Perrin et la constante d’AvogadroSes travaux sur le mouvement brownien confirment l’existence des atomes et conduisent à nommer cette constante en hommage à Avogadro.
Une valeur fixée exactementLe Système international définit désormais la mole à partir d’un nombre précis d’entités élémentaires.
1 douzaine12 objets, quelle que soit leur nature
→
1 mole6,022 140 76 × 1023 entités
La mole est l’unité de quantité de matière. Une mole contient exactement 6,022 140 76 × 1023 entités élémentaires : atomes, molécules, ions… Cette valeur est la constante d’Avogadro, notée NA.
N = n × NAN : nombre d’entités · n : quantité de matière en mol · NA : constante d’Avogadro.
La mole constitue un pont entre le monde microscopique, impossible à compter directement, et le monde macroscopique des masses mesurables au laboratoire.
Partie 06
Cortège électronique et tableau périodique
Les 118 éléments chimiques connus sont classés par numéro atomique Z croissant dans 7 périodes et 18 colonnes.
La ligne indique le nombre de couches électroniques occupées. La colonne permet de retrouver le nombre d’électrons de valence pour les familles principales.
Les éléments d’une même colonne appartiennent à la même famille chimique et possèdent des propriétés communes.