Chapitre 3 : De l atome à l élément chimique La matière est constituée à partir d atomes. Certains atomes peuvent former des ions monoatomiques. Les atomes et les ions monoatomiques correspondants peuvent présenter différents isotopes : ce sont autant de formes d un même élément chimique. 1) L atome a. Approche historique La connaissance actuelle de la structure de l atome est parvenue suite à la recherche de nombreux scientifiques sur le sujet. (Voir activité 1). Petit à petit la composition de l atome a été découverte. Rutherford a montré que l atome est majoritairement constitué de vide (Voir Activité 2). b. Constitution L atome est composé d un noyau, chargé positivement, autour duquel tournent ( gravitent) des électrons. Il a une structure lacunaire (il est constitué essentiellement de vide). Le noyau est constitué de particules appelées nucléons parmi lesquelles on distingue : - les protons chargés positivement (leur charge est notée e et est appelée charge électrique élémentaire (e = 1,6.10 19 C)) et - les neutrons qui ne sont pas chargés (leur charge est nulle). Les électrons sont chargés négativement (leur charge est notée e). c. Représentation du noyau Un noyau est toujours représenté de la façon suivante : A Z X X est le symbole du noyau de l atome Z est appelé nombre de charge ou numéro atomique : c est le nombre de protons présents dans le noyau et A est appelé nombre de nucléons : c est le nombre de nucléons (protons (Z) + neutrons (N)) présents dans le noyau. Exercice 1 : Symbole des noyaux Z A N 55 Fe 26 26 55 55 26 = 29 63 Cu 29 29 63 34 1 1 H 1 1 0
Exercice 2 : donnez la composition du noyau dont le symbole est : 24 12 Mg. Le noyau de Magnésium est composé de 24 nucléons (car A = 24) dont (ou parmi lesquels on trouve) 12 protons (car Z = 12) et 12 neutrons (car N = A Z = 12). d. Neutralité de l atome Un atome est électriquement neutre (sa charge est nulle). Il renferme donc toujours autant de protons que d électrons. Application : Donnez la composition de l atome dont le symbole du noyau est : 27 13 Al. Le noyau d Aluminium est composé de 27 nucléons (car A = 27) dont (ou parmi lesquels on trouve) 13 protons (car Z = 13) et 14 neutrons (car N = A Z = 14). L atome étant électriquement neutre, il renferme autant de protons que d électrons soit 13 électrons. 2) Eléments chimiques a. Définition Des atomes ou des ions dont les noyaux ont le même nombre de protons appartiennent au même élément chimique. Ce nombre de proton caractérise l élément : c est le numéro atomique. Exemple : les atomes de fer, ou les ions Fe 2+ appartiennent au même élément chimique : le fer Fe, de numéro atomique Z=26. b. Atomes isotopes Des atomes isotopes sont des atomes appartenant au même élément chimique. Ils ont donc le même numéro atomique Z, mais des nombres de neutrons différents. Par exemple, les atomes et sont des isotopes de l uranium. Ils ont tous deux 92 protons mais un nombre de neutrons différent : isotope 238 =146 neutrons tandis que isotope 235 = 143 neutrons. Des atomes isotopes présentent souvent des propriétés chimiques proches. c. Conservation des éléments chimiques. Lors d une transformation chimique, les éléments présents dans les réactifs se retrouvent dans les produits, éventuellement sous une autre forme. Voir TP3 : lors des différentes manipulations, l élément cuivre était conservé, mais sous des formes différentes (ionique, oxyde, solide).
On retrouve cela notamment dans les combustions, celle du méthane par exemple : CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O. 1C 1C 4H 4H 4O 4O 3) La structure électronique Les électrons (qui constituent le nuage électronique) se répartissent autour du noyau en couches, appelées K, L et M. Chaque couche ne peut contenir d un nombre limité d électrons : Couche K L M Nombre maximal d électrons sur la couche 2 8 18 La structure électronique indique la répartition des électrons sur les différentes couches. Application : Donner la structure électronique des atomes suivants : 12 24 Mg puis 9 23 4 Be, 11 Na L atome de magnésium renferme 12 protons dans son noyau soit 12 électrons autour du noyau. La structure électronique sera donc : (K) 2 (L) 8 (M) 2 Electrons externes ou électrons périphériques Couche externe : c est la plus loin du noyau L atome de béryllium renferme 4 protons dans son noyau soit 4 électrons autour du noyau. La structure électronique sera donc : (K) 2 (L) 2 L atome de sodium renferme 11 protons dans son noyau soit 11 électrons autour du noyau. La structure électronique sera donc : (K) 2 (L) 8 (M) 1
4) Les ions monoatomiques a. Définition Certains atomes peuvent gagner ou perdre un ou plusieurs électrons. Leur noyau n est pas modifié. Ils se transforment alors en ions monoatomiques. Si un atome gagne un ou plusieurs électrons il se transforme en anion. Si un atome perd un ou plusieurs électrons il se transforme en cation. Application : dire si les ions suivants possèdent des électrons en plus ou en moins par rapport à l atome et combien Cu 2+, Cl -, O 2-, Mg 2+. L ion Cu 2+ a deux charges positives il a donc deux électrons de moins que l atome de cuivre. L ion Mg 2+ a deux charges positives il a donc deux électrons de moins que l atome de magnésium. L ion Cl - a une charge négative, il possède donc un électron de plus que l atome de chlore. L ion O 2- possède deux charges négatives, il possède donc deux électrons de plus que l atome d oxygène. b. Origine des ions Certains éléments : les gaz nobles (ou inertes ou rares : He, Ne, Ar), sont des éléments qui n existent sur Terre que sous la forme d atomes isolés, ils ne forment jamais d ions. Leur inertie chimique est liée au nombre particulier d électrons qu ils ont sur leur couche externe. Application : Déterminez leur structure électronique. 4 2 He : K2 20 10 Ne : K2 L 8 Les atomes des éléments de numéro atomique 2 Z 4 tendent à acquérir une structure électronique à deux électrons externes : c est la règle du duet. Les atomes des éléments de numéro atomique 4 Z 20 tendent à acquérir une structure électronique externe à huit électrons : c est la règle de l octet. L ion d un élément chimique de numéro atomique Z<20 a la même structure électronique que le gaz noble le plus proche. Exemple : Le lithium a pour structure électronique K 2 L 1. Le gaz noble le plus proche est l Hélium, de structure électronique K². Pour adopter cette structure électronique, le lithium doit perdre un électron. L ion naturellement formé sera donc Li +.
5) Les familles chimiques a. La classification périodique Voir TP 4 Le chimiste russe Mendeleïev est le premier à avoir l idée de classer les éléments chimiques. Il invente un système de tri permettant de classer selon deux critères : la masse atomique et les propriétés physiques et chimiques. Pour cela, il classe les éléments par masse croissante, et place dans des mêmes colonnes ceux ayant des propriétés semblables. De tels éléments appartiennent à une même famille chimique. Ils forment des ions portant la même charge. b. Les gaz nobles Cette famille d éléments chimique est située dans la dernière colonne de la classification périodique. A température ambiante, on les trouve sous forme de gaz incolores et inodores. Ils sont très peu réactifs. Cette propriété est dûe à leur structure électronique : leur couche externe est saturée, ce qui les stabilise. Ils ne forment pas d ions. c. Les halogènes Les halogènes sont situés dans l avant dernière colonne de la classification. (ex : F, Cl, Br ) Ces composés sont très réactifs. Il leur manque un électron pour compléter leur couche externe et ainsi respecter la règle de l octet. Pour se stabiliser, ils devront gagner un électron, ils formeront donc des ions chargés une fois négativement. d. Les alcalins Les éléments chimiques de la première colonne sont les métaux alcalins. (ex : Li, Na, K ) A température ambiante, ils forment des solides gris. Ils sont très réactifs. Ils n ont qu un électron sur leur couche externe, qu ils devront perdre pour se stabiliser. Ils formeront donc des ions chargés une fois positivement.