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
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 : . Les neutrons sont électriquement neutres, tandis que les protons portent une charge électrique positive qproton appelée charge élémentaire et notée e : qproton = e = 1,6 × 10−19 C (Le coulomb (C) est l'unité de charge électrique).
On symbolise le noyau d'un atome ainsi :
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 × 10−31 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 × 10−19 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 , alors que celui du noyau est de l'ordre de : le noyau est donc environ 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 : ; et .
Méthode
Utiliser le symbole et calculer la masse d'un atome
a. Détailler la composition d'un atome d'aluminium dont le noyau est symbolisé par .
b. Calculer le rapport des masses d'un nucléon et d'un électron, puis conclure.
c. Calculer la masse d'un atome d'aluminium .
d. Dans cette liste :
, 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 : .
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 A = nucléons, et Z = protons soit A − Z = neutrons.
L'atome est neutre, il possède donc autant de protons que d'électrons ( électrons) puisque qélectron = − qproton.
b. En reprenant les valeurs données page précédente :
. 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 protons, neutrons et électrons :
. On vient de montrer que la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons :
et mproton ≈ mneutron d'où :
.
La masse d'un atome d'aluminium de noyau est : soit : matome = kg.
d. Le numéro atomique caractérise l'élément chimique. Il y a donc trois éléments chimiques dans la liste.
• sont deux isotopes d'un même élément avec Z = 7.
• correspond à un autre élément puisque Z = 8.
• Le troisième élément est avec Z = 6.