De l'atome aux éléments chimiques

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Fiches
Classe(s) : 2de | Thème(s) : La matière à l'échelle microscopique


Un élément chimique peut se trouver dans différentes entités chimiques : atome, ions, molécules. Connaître la constitution d’un atome permet de comprendre ce qui caractérise un élément chimique.

I Structure et caractéristiques de l’atome

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L’atome est constitué d’un noyau central autour duquel gravitent des électrons constituant un nuage électronique.

Le noyau d’un atome, chargé positivement, est constitué de protons et de neutrons, appelés nucléons. Les protons et neutrons ont des masses peu différentes : mprotonmneutron1,67×1027kg. Les neutrons sont électriquement neutres, tandis que les protons portent une charge électrique positive qproton appelée charge élémentaire et notée e : qproton == 1,6 × 1019 C (Le coulomb (C) est l’unité de charge électrique).

On symbolise le noyau d’un atome ainsi :

XZA

X est le symbole de l’élément ; Z, appelé numéro atomique, est le nombre de protons et A, appelé nombre de masse, est le nombre de nucléons (protons + neutrons).

Les électrons ont une masse de 9,11 × 1031 kg soit environ 2 000 fois plus petite que celle d’un nucléon et portent une charge électrique élémentaire négative opposée à la charge du proton. : qélectron = − e = − 1,6 × 1019 C (qélectron = − qproton).

Un atome est électriquement neutre car il contient autant de protons dans son noyau que d’électrons dans son nuage électronique.

La masse d’un atome est quasiment égale à celle de son noyau :

matome A × mnucléon car : mélectron << mnucléon.

Le diamètre de l’atome est de l’ordre de 1010m, alors que celui du noyau est de l’ordre de 1015m : le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit.

II Élément chimique

À noter

Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, il forme un ion monoatomique : Cu2+ a perdu 2 électrons (29 protons et 27 électrons).

Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z et représenté par son symbole chimique : une majuscule suivie éventuellement d’une minuscule.

Des entités (atomes, ions) ayant le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents sont appelés isotopes. Ils diffèrent par leur nombre de neutrons. Exemples : C29u2+ ; 2963Cu et 2965Cu.

Méthode

Utiliser le symbole XZA et calculer la masse d’un atome

a. Détailler la composition d’un atome d’aluminium dont le noyau est symbolisé par 1327Al.

b. Calculer le rapport des masses d’un nucléon et d’un électron, puis conclure.

c. Calculer la masse d’un atome d’aluminium 1327Al.

d. Dans cette liste :

X817 ;X614;X714;X717, combien y a-t-il d’éléments chimiques ?

Conseils

a. Dénombrez le nombre de protons, de neutrons et d’électrons.

b. Calculez en utilisant les propriétés des puissances de 10 : 10a10b=10ab.

c. Tenez compte du résultat précédent !

d. Par quoi reconnaît-on un même élément chimique ?

Solution

a. Al est le symbole de l’aluminium. Son noyau contient 27 nucléons, et 13 protons soit A − Z 2713=14 neutrons.

L’atome est neutre, il possède donc autant de protons que d’électrons (13 électrons) puisque qélectron = − qproton.

b. En reprenant les valeurs données page précédente :

mnucléonmélectron=1,67×10279,11×1031=1,83×103 . Le proton et le neutron sont 1 830 fois plus lourds que l’électron. On peut donc négliger la masse des électrons devant celle des nucléons.

c. Pour un atome possédant Z protons, (AZ) neutrons et Z électrons :

matome=Z×mproton+(AZ)×mneutron +Z×mélectron. On vient de montrer que la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons :

matome=Z×mproton+(AZ)×mneutron et mproton ≈ mneutron d’où :

matome=A×mnucléon.

La masse d’un atome d’aluminium de noyau 1327Al est : matome=27×mnucléon soit : matome = 27×1,67×1027=4,51×1026 kg.

d. Le numéro atomique Z caractérise l’élément chimique. Il y a donc trois éléments chimiques dans la liste.

• X714etX717 sont deux isotopes d’un même élément avec = 7.

• X817 correspond à un autre élément puisque Z = 8.

• Le troisième élément est X614 avec Z = 6.

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