CHAPITRE 3 : Atome : noyau et cortège électronique

Objectifs :

- Déterminer les constituants d'une solution : solvant et solutés.
- Etablir l’écriture conventionnelle d’un noyau à partir de sa composition et inversement.
- Comparer la taille et la masse d’un atome et de son noyau.
- Déterminer les électrons de valence d’un atome (Z ≤ 18).
- Déterminer la position de l’élément dans le tableau périodique des éléments et inversement.
- Associer la notion de famille chimique à l’existence de propriétés communes et
identifier la famille des gaz nobles.

I. Structure de l'atome

Un atome est une entité chimique constituée d’un noyau central autour duquel gravitent des électrons.

1. Constitution et notation symbolique d'un atome

a) Le noyau atomique

Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Ces particules sont de deux types : les protons et les neutrons.
Z est le nombre de protons dans le noyau, encore appelé numéro atomique. Chaque proton porte une charge électrique positive appelée charge élémentaire e (e = 1,60 x 10-19C) .
N est le nombre de neutrons dans le noyau.
A est le nombre de nucléons dans le noyau. On a donc A = N + Z.
On représente symboliquement la composition du noyau d’un atome à l’aide de la notation
suivante : AZX
Avec X le symbole chimique de l’atome, Z son numéro atomique et A son nombre de nucléons.

b) Le cortège électronique

Le cortège électronique d’un atome est constitué de l’ensemble de ses électrons. Chaque électron porte une charge électrique négative égale à -e.
Un atome est électriquement neutre, il possède donc autant d’électrons dans son cortège électronique que de protons dans son noyau.

c) Configuration électronique

Au sein du cortège électronique, les électrons se répartissent en couches électronique. Chaque couche électronique comporte des sous-couches, notées s (2 électrons au maximum) et p (6 électrons au maximum), contenant chacune un nombre limité d’électrons. Pour les atomes ayant un numéro atomique inférieur ou égal à 18, seules les trois premières couches sont nécessaires.
La configuration électronique indique la répartition des électrons dans les couches et sous-couches, le nombre d’électrons étant indiqué en exposant du symbole s ou p des sous-couches.

Règles des remplissages :
— On rempli les couches dans l’ordre croissant.
— On remplit la sous-couche s avant la sous-couche p.
— On remplit totalement une sous-couche avant de commencer la suivante.

Exemple : Le carbone possède 6 électrons. On remplit donc d’abord sa sous-couche 1s avec 2 électrons, puis sa sous-couche 2s avec 2 électrons et enfin sa sous-couche 2p avec 2 électrons. Sa configuration électronique est donc : 1s22s22p2.

La dernière couche occupée est appelée la couche de valence. Les électrons de cette couches sont appelés électrons de valence.

2. Masse et charge d'un atome

a) Masse d'un atome

La masse d’un atome est la somme des masses de son noyau et de son cortège électronique : matome = mnoyau + mélectrons. La masse du noyau est la somme des masses de ses protons et de ses neutrons :
$$m_{noyau} = Z \times m_{p} + (A-Z) \times m_{n}$$
En considérant une valeur moyenne pour la masse du nucléon : mnu = 1,67 x 10-27kg, on obtient ainsi :
$$m_{noyau} = A \times m_{nu}$$
La masse d’un électron étant environ 2000 fois plus faible que celle d’un nucléon, la masse d’un atome est pratiquement égale à la masse de son noyau. On a donc finalement :
$$m_{atome} = A \times m_{nu}$$

b) Charge d'un atome

Un atome est une entité globalement électriquement neutre, toutefois son noyau et son cortège électronique sont chargés :
$$Q_{noyau} = Z \times q_{p} = Z \times e$$
$$Q_{\acute electrons} = Z \times q_{e^{-}} = -Z \times e$$

c) Taille d'un atome

L’ordre de grandeur du diamètre d’un atome est 10-10m alors que celui du noyau est 10-15m. L’atome est donc 105 fois plus grand que son noyau.

II. Cortège électronique et tableau périodique

Un élément chimique désigne les atomes et les ions de même numéro atomique Z et caractérisé par le même symbole.

1. Configuration électronique et tableau périodique

Les éléments chimiques sont classés dans le tableau périodique des éléments (voir rabat de votre livre) :
— par ordre croissant de Z,
— en colonne et en période (ligne).
On change de période quand le nombre maximum d’électrons de la couche n est atteinte.
Les atomes des éléments d’une même colonne contiennent le même nombre d’électrons de valence.

2. Notion de familles chimiques

Les éléments d’une même colonne possèdent des propriétés chimiques analogues et constituent une famille chimique.
La 18ème colonne contient les éléments chimiques de la famille des gaz nobles. Ils ont leur couche de valence saturée. Ils sont tous très stables et sont pratiquement inertes chimiquement.

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