STRUCTURE DE L ATOME

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1 I) Constitution de l atome : 1) Dimensions de l atome : a) Diamètre de l atome : En première approximation, on peut représenter un atome par une très petite sphère (boule) dont le diamètre est de l ordre de m = 0,1 nm. Remarque : Le diamètre d un cheveu est de 0,1 mm = 10 4 m pour un gros cheveu : on pourrait aligner 10 6 = d atomes dans l épaisseur d un cheveu!! 10 6 m = 1 µm (micromètre) 10 9 m = 1 nm (nanomètre) m = 1 pm (picomètre) m = 1 fm (fentomètre) Remarque : Un globule rouge a un diamètre de l ordre 20 µm = m : on pourrait aligner = atomes dans le diamètre d un globule rouge!!

2 I) Constitution de l atome : 1) Dimensions de l atome : b) Diamètre du noyau : On peut représenter le noyau d un atome par une petite boule dont le diamètre est d environ m = 1 fm (fentomètre). Remarque : Le diamètre de l orbite terrestre est D = km, le diamètre du Soleil est d environ km : le Soleil n est donc que 200 fois plus petit que l orbite terrestre. Le noyau est fois plus petit que l atome qui n est donc constitué pratiquement que de vide!!!

3 I) Constitution de l atome : 2) Les particules constituant l atome : Les atomes sont tous constitués de trois types de particules : particule symbole charge masse électron e q e = e = 1, C m e = 9, kg proton p q p = + e = + 1, C m p = 1, kg neutron n q n = 0 C m n = 1, kg Remarque : e est la charge élémentaire (la plus petite charge connue). Le proton et le neutron ont pratiquement la même masse qui est environ 1836 fois plus grande que celle de l électron.

4 I) Constitution de l atome : 3) Composition de l atome : a) Le noyau : Le noyau est constitué de protons et de neutrons en nombres définis. Protons et neutrons du noyau sont appelés nucléons. Le nombre de masse, noté A, est le nombre de nucléons contenus dans le noyau. Le numéro atomique ou nombre de charge, noté Z, est le nombre de protons contenus dans le noyau. Remarque : A et Z sont des nombres entiers. A -- Z représente le nombre de neutrons du noyau. La charge du noyau est égale à + Z.e. On symbolise le noyau d un atome particulier par : nombre de masse A X symbole de l élément numéro atomique Z Exemple : 1 1 H (hydrogène 1), 12 6 C (carbone 12), 16 8O (oxygène 16).

5 I) Constitution de l atome : 3) Composition de l atome : b) Le nuage électronique : Le noyau est entouré d une région chargée négativement appelée nuage électronique qui contient Z électrons, sa charge globale est donc -- Z.e. Un atome est un édifice électriquement neutre. Chaque électron du nuage est en mouvement rapide et incessant. On ne connaît pas sa position, mais on sait calculer la probabilité de sa présence en un point (mécanique quantique).

6 I) Constitution de l atome : 4) Les isotopes : Des atomes qui ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents, sont des isotopes de l élément de numéro atomique Z. Exemple : 1 1 H (99,98 %), 2 1 H (deutérium 0,02 %) et 3 1H (tritium artificiel) C (98,9 %), 13 6 C (1,1 %) et 14 6 C* (radioactif, %) Cl (75 %) et Cl (25 %) U (99,29 %), U (0,71 %), U* (0,005 %),

7 I) Constitution de l atome : 5) Les ions monoatomiques : Un anion résulte de la capture d un ou plusieurs électrons (e ) par un atome. X + q e X q Exemple : Cl + e Cl L atome de Cl contient 17 p dans son noyau et 17 e dans son nuage électronique. L anion Cl contient 17 p dans son noyau et 18 e dans son nuage électronique. Un cation résulte de la perte d un ou plusieurs électrons (e ) par un atome. Exemple : X X q + + q e Cu Cu e L atome de Cu contient 29 p dans son noyau et 29 e dans son nuage électronique. Le cation Cu 2+ contient 29 p dans son noyau et 27 e dans son nuage électronique.

8 II) Structure électronique de l atome : 1) Modèle en couches énergétiques : Dans un atome, chaque électron est lié au noyau par l attraction électrique qu exerce sa charge + Z.e. Pour arracher un électron à l atome il faut fournir une certaine énergie (énergie de liaison électronique). L expérience montre que certains électrons sont plus faciles à arracher (moins liés) que d autres. Les électrons sont répartis en couches énergétiques. Les électrons d une même couche sont en moyenne à la même distance du noyau Dans chaque couche sont regroupés les électrons qui nécessitent la même énergie d extraction, on dit qu ils ont le même niveau d énergie. On désigne les différentes couches par les lettres K, L, M N...

9 II) Structure électronique de l atome : 2) Règle de remplissage des couches énergétiques : L expérience montre et la mécanique quantique explique que : la couche K peut contenir au maximum 2 électrons, la couche L peut contenir au maximum 8 électrons, la couche M peut contenir au maximum 18 électrons... - La structure électronique d un atome s obtient en remplissant dans l ordre les couches K, L, M, N - L énergie nécessaire pour arracher un électron d une couche profonde est supérieure à celle qui permet d arracher un électron périphérique.

10 II) Structure électronique de l atome : 3) Limite de la règle : La règle de remplissage s applique jusqu'à l argon Ar (Z = 18). A partir du potassium (Z = 19), le remplissage de la couche M est interrompu par le début du remplissage de la couche N.

11 III) Représentation de la structure électronique de l atome : 1) Représentation symbolique : - On écrit le symbole de la couche électronique entre parenthèses, en commençant par la couche K, - On indique en exposant le nombre d électrons présent dans la couche, - On continue avec les couches suivantes L, M... Exemple : H (Z = 1) : (K) 1 C (Z = 6) : (K) 2 (L) 4 O (Z = 8) : (K) 2 (L) 6 Cl (Z = 17) : (K) 2 (L) 8 (M) 7 Ar (Z = 18) : (K) 2 (L) 8 (M) 8 K (Z = 19) : (K) 2 (L) 8 (M) 8 (N) 1 Ca (Z = 20) : (K) 2 (L) 8 (M) 8 (N) 2 Ce modèle d atome est suffisant pour comprendre les propriétés chimiques d un élément.

12 III) Représentation de la structure électronique de l atome : 2) Représentation graphique : - On trace un petit cercle dans lequel on indique le symbole chimique, - Les différentes couches sont représentées par des cercles concentriques sur lesquels on porte les électrons sous la forme de petites croix, - Les croix sont représentées appariées à partir de la cinquième. Exemple : He (Z = 2) : C (Z = 6) : O (Z = 8) : Ne (Z = 10) : Na (Z = 11) : Cl (Z = 17) :

13 III) Représentation de la structure électronique de l atome : 3) Représentation de Lewis de l atome : a) Définitions : - La couche électronique externe est appelée couche de valence. - Les électrons de la couche externe sont appelés électrons de valence. - A partir du quatrième électron de la couche de valence, les nouveaux électrons supplémentaires "s'apparient" avec un autre électron de la couche pour former un doublet électronique.

14 Chapitre 2 : B C O N F Ne Ca Cl Si Ar Al P S III) Représentation de la structure électronique de l atome : 3) Représentation de Lewis de l atome : b) Représentation : - Dans la représentation de Lewis, seuls figurent les électrons de valence : - les électrons "célibataires" sont représentés par des points (), - les doublets électroniques sont représentés par des tirets (). Exemple : 1H H 2He He 3Li Li 4Be Be 5B B 6C C 7N N 8O 11Na Na 12Mg Mg 13Al 16S S 17Cl Cl 18Ar O 9F Al 14Si Ar F Si 10Ne 15P Ne P 19K K 20Ca Ca

15 III) Représentation de la structure électronique de l atome : 3) Représentation de Lewis de l atome : c) Cas des ions monoatomiques : La structure électronique d un ion monoatomique s obtient par l application de la règle de remplissage utilisée pour un atome. Dans la représentation de Lewis, la charge de l ion est symbolisée dans un cercle, en exposant. Exemple : L ion fluorure F est un atome de fluor (Z = 9) qui a capté un électron (9 + 1 = 10 e - ) : F : (K) 2 (L) 8 Exemple : L ion Ca 2+ est un atome de calcium (Z = 20) qui a perdu deux électrons ( = 18 e - ) : Ca 2+ : (K) 2 (L) 8 (M) 8 Exemple : 1H + H + 2He 2+ He 2 + 9F F 3Li + Li + 4 Be 2+ Be Na + Na + 13 Al 3+ Al Cl Cl 8O 2 O 2 20Ca 2+ Ca 2 +