Chapitre 4


Cours




2
Les caractéristiques de l’atome

Données

  • Masse d’un nucléon : mnp=1,67×1027m_{n-p}=1\text{,}67 \times 10^{-27} kg ;
  • Masse d’un électron : me=9,109×1031 m_{e}=9\text{,}109 \times 10^{-31} kg ;
  • Charge élémentaire : e=1,602×1019 e=1\text{,}602 \times 10^{-19} C.

Vocabulaire

  • Lacunaire : qui présente des espaces vides.
  • Négligeable : très faible, dont l’absence ne modifiera pas le résultat du calcul.

Doc. 3
Terrain de football

Terrain de football

Application

Un atome de platine peut être représenté par 78195Pt._{78}^{195}\text{Pt.} Cet atome est composé de 195 nucléons dont 78 protons et 117 neutrons. Il possède 78 électrons dans son cortège électronique. La masse de cet atome est m atome=Am nucleˊon.m_{\text { atome}}=A \cdot m_{\text { nucléon}}.
Donc m atome=195×1,67×1027=3,26×1025m_{\text { atome}}=195 \times 1\text{,}67 \times 10^{-27}=3\text{,}26 \times 10^{-25} kg.
On peut calculer la charge électrique de son noyau à l’aide de la relation : Q noyau=ZeQ_{\text { noyau}}=Z\cdot e.
Donc Q noyau=78×1,602×1019=1,250×1017Q_{\text { noyau}}=78 \times 1\text{,}602 \times 10^{-19}=1\text{,}250 \times 10^{-17} C.

Éviter les erreurs

Attention au nombre d’électrons, il n’est pas donné par Z\text{Z}. Il se déduit de cette valeur car l’atome est électriquement neutre.
On écrit parfois que la masse de l’atome est égale à celle de son noyau. C’est une approximation.

A
Dimensions et électroneutralité de l’atome

Un atome est un édifice électriquement neutre. Il possède donc autant d’électrons dans son cortège électronique qu’il a de protons dans son noyau.

Le noyau d’un atome peut être assimilé à une boule dense dont le rayon est de l’ordre de 1 fm = 10-15 m, constituée de nucléons. L’atome peut être assimilé à une sphère dont le rayon est d’environ 0,1 nm = 10-10 m. Autour du noyau, les électrons évoluent dans du vide.

Le rayon d’un atome est 100 000 fois plus grand que celui de son noyau (ratomernoyau(\dfrac {r_{\text{atome}}}{r_{\text{noyau}}}=10101015=105==\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}=10^{5}= 100100 000) 000). L’atome est donc essentiellement constitué de vide (sa structure est dite lacunaire).

B
Masse d’un atome

La masse d’un électron est environ deux mille fois plus petite que celle d’un nucléon.

La masse du cortège électronique est négligeable par rapport à celle du noyau de l’atome. La masse mm d’un atome est pratiquement égale à celle de son noyau.

m atome=Am nucleˊonm_{\text { atome}}=A \cdot m_{\text { nucléon}}

Avec :
  • m atomem_{\text { atome}} la masse de l’atome et m nucleˊonm_{\text { nucléon}} la masse d’un nucléon en kilogramme ;
  • AA le nombre de nucléons dans le noyau.

1
Modèle de l’atome


A
Constituants de l’atome

L’atome a longtemps été considéré comme indivisible. On sait depuis l’expérience d’Ernest Rutherford en 1911 que ce n’est pas le cas.

L’atome est constitué d’un noyau chargé positivement entouré d’un cortège d’électrons chargés négativement.

Les composants du noyau sont appelés nucléons. Il existe deux sortes de nucléons : les neutrons et les protons.

Pas de malentendu

Une erreur fréquente est de confondre les significations de A\bf{A} et Z\bf{Z} dans la notation symbolique du noyau : AA étant le nombre de neutrons ET de protons, il est forcément plus grand que ZZ.
Un atome et un élément chimique sont deux choses différentes. L’élément est caractérisé par le nombre de protons contenus dans le noyau alors que l’atome correspond au noyau accompagné de ses électrons.

Vocabulaire

  • Isotope : deux noyaux qui ont le même nombre de protons et un nombre de neutrons différent.
  • Nombre de masse : le nombre de nucléons est parfois appelé nombre de masse.
  • Nucléon : particule présente dans le noyau d’un atome.
  • Numéro atomique : c’est le nombre de protons présents dans le noyau.

B
Caractéristiques des constituants de l’atome

Le noyau est composé de :
  • protons, chargés positivement, de charge +e=1,602×1019C+e=1\text{,}602 \times 10^{-19} \mathrm{C} et ayant une masse m proton=1,673×1027m_{\text { proton}}=1\text{,}673 \times 10^{-27} kg ;
  • neutrons, électriquement neutres et ayant une masse
    m neutron=1,675×1027m_{\text { neutron}}=1\text{,}675 \times 10^{-27} kg.
  • Les électrons sont situés autour du noyau. Ils ont une charge négative égale à e-e et une masse m eˊlectron=9,109×1031m_{\text { électron}}=9\text{,}109 \times 10^{-31} kg.

    Les masses des neutrons et des protons étant très proches, on les considérera égales pour la suite des exercices. La masse moyenne d’un nucléon étant alors m nucleˊon=1,67×1027m_{\text { nucléon}}=1\text{,}67 \times 10^{-27} kg.
    La masse d’un électron est environ 2 000 fois plus faible que celle d’un nucléon.

    Remarque : L’unité de la charge électrique est le coulomb (C).

Supplément numérique

Capsule vidéo sur l'atome et l'élément chimique bientôt disponible !

Doc. 1
Schéma d’un atome de lithium

Schéma d’un atome de lithium

C
Notation symbolique du noyau d’un atome

Le noyau d’un atome est représenté par la notation symbolique ZAX_{Z}^{A}\text{X}, où :
  • X\bf{X} est le symbole chimique de l’atome considéré ;
  • A\bf{A} est le nombre de nucléons, c’est-à-dire la somme du nombre de neutrons et du nombre de protons présents dans le noyau ;
  • Z\bf{Z} est le numéro atomique, c’est-à-dire le nombre de protons présents dans le noyau.
Le nombre de neutrons NN dans le noyau est : N=AZ\bf{N = A - Z}.


Exemple : la notation symbolique du noyau d’un atome d’or est 79197Au_{79}^{197}\text{Au} et celle du noyau d’un atome de carbone est 612C_{6}^{12}\text{C}.

Deux noyaux qui ont le même nombre de protons mais un nombre de nucléons (et donc de neutrons) différents sont appelés isotopes.

Exemple : il existe plusieurs isotopes du carbone. La notation symbolique de leur noyau est : 612C_{6}^{12}\text{C}, 613C_{6}^{13}\text{C}, 614C_{6}^{14}\text{C}.

Éviter les erreurs

Attention à ne pas confondre nucléon et neutron.
Penser qu’un Neutron est Neutre.
Retenir qu’un Proton est Positif.

Application

La notation symbolique du noyau d’un atome de carbone est 612C_{6}^{12}\text{C}.
Z=6Z = 6 donc il contient six protons.
A=12A = 12 et N=AZ=126N = A - Z = 12 - 6, donc il contient six neutrons.
Un isotope du carbone est 614C_{6}^{14}\text{C}. Il a deux neutrons de plus dans son noyau.

Doc. 2

Frank Trixler, Graphite, juillet 2007 (image obtenue avec un microscope à effet Tunnel)
Frank Trixler, Graphite, juillet 2007 (image obtenue avec un microscope à effet Tunnel).
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