Structure de l'atome et élément chimique

Un atome = un noyau (les nucléons : protons et neutrons) entouré d'électrons. Il est lacunaire (essentiellement vide) : taille de l'atome $\approx 10^{-10}\ \text{m}$, du noyau $\approx 10^{-15}\ \text{m}$ (100 000 fois plus petit).

Numéro atomique $Z$ = nombre de protons ; nombre de masse $A$ = nombre de nucléons ; nombre de neutrons $= A - Z$. Ex. $\ce{^{12}_6C}$ : 12 nucléons, 6 protons, 6 neutrons.

À partir de l'écriture conventionnelle $\ce{^{A}_{Z}X}$ :
1. Le nombre du bas donne $Z$, le nombre de protons.
2. Le nombre du haut donne $A$, le nombre de nucléons.
3. On soustrait : le noyau contient $N = A - Z$ neutrons.
4. L'atome est neutre : il possède $Z$ électrons.
Sur la copie, pour $\ce{^{56}_{26}Fe}$ : le noyau contient $26$ protons et $56 - 26 = 30$ neutrons ; l'atome possède $26$ électrons.

Un élément chimique est l'ensemble des entités (atomes ou ions) qui possèdent le même numéro atomique $Z$. Ce nombre est la carte d'identité de l'élément : il détermine son nom et son symbole. Le nombre de neutrons ou d'électrons peut varier d'une entité à l'autre, mais tant que $Z$ ne change pas, c'est le même élément.

Charge élémentaire $e = 1{,}6\times 10^{-19}\ \text{C}$ : proton $+e$, électron $-e$, neutron neutre. L'atome est électriquement neutre (autant de protons que d'électrons). Masse des électrons négligeable, $m_{proton}\approx m_{neutron}\approx m_n = 1{,}67\times 10^{-27}\ \text{kg}$.

1. Relever $Z$ dans l'écriture conventionnelle.
2. Multiplier par la charge élémentaire $e = 1{,}6\times 10^{-19}\ \text{C}$.
3. Conclure sur la neutralité : le cortège des $Z$ électrons porte la charge opposée.
Sur la copie, pour $\ce{^{23}_{11}Na}$ : $Q = Z\,e = 11 \times 1{,}6\times 10^{-19} = 1{,}76\times 10^{-18}\ \text{C}$ ; les $11$ électrons portent $-1{,}76\times 10^{-18}\ \text{C}$, donc l'atome est neutre.

La masse des électrons est négligeable : la masse de l'atome est concentrée dans le noyau.
1. Relever le nombre de nucléons $A$.
2. Multiplier par la masse d'un nucléon $m_n = 1{,}67\times 10^{-27}\ \text{kg}$.
3. Donner le résultat en kg, en écriture scientifique.
Sur la copie, pour $\ce{^{12}_{6}C}$ : $m \approx A \times m_n = 12 \times 1{,}67\times 10^{-27} = 2{,}0\times 10^{-26}\ \text{kg}$.

Le nombre de masse $A$ compte les nucléons : c'est un entier sans unité. La masse de l'atome, elle, s'exprime en kg et s'obtient en multipliant $A$ par la masse d'un nucléon. Écrire « $m = 12\ \text{kg}$ » pour le carbone 12, ou donner une masse sans unité, est une erreur très fréquente en devoir.

Les 118 éléments sont rangés par $Z$ croissant : 7 périodes (lignes), 18 colonnes. Les électrons remplissent les couches dans l'ordre $1s, 2s, 2p, 3s, 3p$ (capacités : $s\to 2$, $p\to 6$ électrons). Ex. aluminium ($Z=13$) : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$.

1. Déterminer le nombre d'électrons : $Z$ pour un atome neutre.
2. Remplir les sous-couches dans l'ordre $1s,\ 2s,\ 2p,\ 3s,\ 3p$ sans dépasser leurs capacités ($2$, $2$, $6$, $2$, $6$).
3. S'arrêter dès que tous les électrons sont placés.
4. Vérifier : la somme des exposants doit redonner $Z$.
Sur la copie, pour le soufre ($Z = 16$) : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$, et $2+2+6+2+4 = 16$.

La couche de valence = dernière couche occupée (les autres = couches de cœur) ; ses électrons sont les électrons de valence (Al : $3s^2\,3p^1$, soit 3). Une famille chimique = une même colonne : même nombre d'électrons de valence, donc propriétés chimiques voisines.

On compte tous les électrons de la dernière couche (le plus grand numéro devant $s$ ou $p$), pas seulement ceux de la dernière sous-couche. Pour le soufre, $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$ : la couche de valence est la couche $3$, soit $2 + 4 = 6$ électrons de valence, et non $4$. Répondre « $4$ » est l'erreur la plus fréquente de ce chapitre.

1. Repérer le numéro de la dernière couche occupée : c'est le numéro de la période (la ligne).
2. Compter les électrons de valence.
3. En déduire la colonne : $1$ ou $2$ électrons en $s$ donnent les colonnes $1$ ou $2$ ; de $3$ à $8$ électrons de valence, on ajoute $10$ (colonnes $13$ à $18$).
Sur la copie, pour l'aluminium $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^1$ : dernière couche $3$ donc période $3$ ; $2 + 1 = 3$ électrons de valence donc colonne $13$. (L'hélium, $1s^2$, fait exception : il est en colonne $18$.)

Les alcalins occupent la colonne $1$ (sauf l'hydrogène) : lithium $\ce{Li}$, sodium $\ce{Na}$, potassium $\ce{K}$. Les halogènes occupent la colonne $17$ : fluor $\ce{F}$, chlore $\ce{Cl}$. Les gaz nobles occupent la colonne $18$ : hélium $\ce{He}$, néon $\ce{Ne}$, argon $\ce{Ar}$ ; ils sont chimiquement très stables.

$\ce{^{35}_{17}Cl}$ : $17$ protons, $35 - 17 = 18$ neutrons, $17$ électrons.
Configuration : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$, soit $7$ électrons de valence : période $3$, colonne $17$, famille des halogènes.
Masse approchée : $m \approx 35 \times 1{,}67\times 10^{-27} = 5{,}8\times 10^{-26}\ \text{kg}$.