Constitution de l'atome

1. Composition de l'atome

• Noyau : constitué de protons (charge +) et de neutrons (charge 0).

  • Masse concentrée dans le noyau, environ 6000 fois celle des électrons.
  • Taille du noyau : environ $10^{-15}$ m.
  • Masse d’un proton ou neutron : environ 1 u (unité de masse atomique).

• Électrons : particules de charge négative (-), en mouvement rapide autour du noyau.

  • Masse très faible : environ $\frac{1}{1836}$ u (négligeable devant celle du noyau).
  • Taille de l’atome (volume occupé par les électrons) : environ $10^{-10}$ m.

2. Charges électriques et neutralité

• Charge élémentaire : $e = 1,6 \times 10^{-19}$ C.
• Un atome est électriquement neutre : nombre de protons = nombre d’électrons.

3. Notations et symboles

• $Z$ = numéro atomique = nombre de protons (et d’électrons dans un atome neutre).
• $A$ = nombre de masse = nombre total de nucléons (protons + neutrons).
• $N = A - Z$ = nombre de neutrons.
• $X$ = symbole chimique de l’élément (ex. Carbone : $C$, Sodium : $Na$).

Exemple :
Pour un atome avec $Z=6$ et $A=12$, $N = 12 - 6 = 6$ neutrons.

4. Éléments chimiques courants et symboles

5. Évolution du modèle atomique

À retenir : L’atome est constitué d’un noyau central chargé positivement (protons + neutrons) autour duquel gravitent des électrons chargés négativement, assurant la neutralité électrique de l’atome.

1. Le noyau atomique

L'atome est constitué d'un noyau central très petit mais très dense, entouré d'un nuage d'électrons.

a) Composition du noyau

• Le noyau contient des protons (chargés positivement) et des neutrons (sans charge électrique).
• Les protons et neutrons sont appelés nucléons.
• Le nombre de protons dans le noyau détermine le numéro atomique $Z$ de l'atome.
• Le nombre total de nucléons (protons + neutrons) est appelé nombre de masse $A$.

b) Notations importantes

• Un atome est noté sous la forme : $${}^{A}_{Z}X$$ où $X$ est le symbole chimique, $Z$ le nombre de protons, $A$ le nombre de nucléons.

c) Propriétés du noyau

d) Rôle des neutrons

• Les neutrons stabilisent le noyau en réduisant la répulsion électrostatique entre protons.
• Un nombre trop faible ou trop élevé de neutrons rend le noyau instable (radioactivité).

À retenir : Le noyau atomique est formé de protons et de neutrons, il concentre presque toute la masse de l'atome et porte une charge positive égale au nombre de protons.

1. Les électrons

• Électron : particule élémentaire chargée négativement, présente dans tous les atomes.
• La découverte des électrons a montré que l'atome n'est pas indivisible, contrairement à l'idée initiale.

2. Propriétés des électrons

3. Rôle des électrons dans l'atome

• Les électrons gravitent autour du noyau, formant un nuage électronique.
• Ils déterminent les propriétés chimiques de l'atome.
• Le nombre d'électrons est égal au nombre de protons dans un atome neutre.

L'électron est une particule chargée négativement qui gravite autour du noyau et détermine les propriétés chimiques de l'atome.

1. Dimensions de l'atome

• Atome : plus petite particule d'un élément chimique, indivisible par des moyens chimiques.
• Ordre de grandeur : diamètre de l'atome ≈ $10^{-10}$ m (0,1 nanomètre).
• L'atome est essentiellement constitué d'un noyau très petit (≈ $10^{-15}$ m) et d'un nuage électronique qui occupe presque tout le volume.

2. Masses atomiques

• La masse d'un atome est concentrée dans son noyau.
• Ordre de grandeur : masse d'un atome ≈ $10^{-27}$ kg.
• La masse atomique est souvent exprimée en unité de masse atomique (u), où 1 u ≈ $1,66 \times 10^{-27}$ kg.
• La masse d'un atome correspond à la somme des masses des protons et neutrons dans le noyau (les électrons ont une masse négligeable).

3. Résumé des ordres de grandeur

L'atome est essentiellement vide, avec un noyau minuscule mais massif au centre, entouré d'un nuage électronique très étendu.

1. Particules élémentaires de l'atome

L'atome est constitué de particules élémentaires qui possèdent des propriétés spécifiques. Ces particules sont :

2. Propriétés clés des particules

• Électron : particule chargée négativement, très légère, en mouvement autour du noyau.
• Proton : particule chargée positivement, masse proche de celle du neutron, forme avec lui le noyau.
• Neutron : particule neutre, masse proche de celle du proton, stabilise le noyau.

3. Rôle des particules dans l'atome

• Le nombre de protons détermine le numéro atomique et l'identité chimique de l'atome.
• Le nombre d'électrons détermine les propriétés chimiques et la charge globale de l'atome.
• Le nombre de neutrons influence la masse de l'atome et la stabilité du noyau (isotopes).

À retenir : L'atome est constitué d'un noyau formé de protons et de neutrons, autour duquel gravitent les électrons. Chaque particule élémentaire a une charge et une masse caractéristiques qui définissent les propriétés de l'atome.

1. Propriétés de la charge électrique élémentaire

• Valeur absolue de la charge élémentaire :
  $e = 1,6 \times 10^{-19} \, \text{C}$

• Charge de l'électron :
  $q_{\text{électron}} = -e = -1,6 \times 10^{-19} \, \text{C}$

• Charge du proton :
  $q_{\text{proton}} = +e = +1,6 \times 10^{-19} \, \text{C}$

2. Règles importantes

• Toute charge électrique est un multiple entier de la charge élémentaire $e$.
• La charge électrique est donc quantifiée :
  $q = n \times e \quad \text{où } n \in \mathbb{Z}$

3. Conséquence pour l'atome

• L'atome est électriquement neutre car il contient autant de protons (charges positives) que d'électrons (charges négatives).
• La charge électrique ne peut pas être divisée en fractions plus petites que $e$ dans la matière ordinaire.

La charge électrique élémentaire est la plus petite charge possible et toute charge électrique est un multiple entier de cette charge.

1. L'atome neutre

Un atome est constitué de protons, neutrons et électrons.

• Les protons ont une charge positive (+).
• Les électrons ont une charge négative (−).
• Les neutrons sont électriquement neutres.

a) Neutralité électrique de l'atome

Un atome neutre contient autant de protons que d'électrons.
Cela signifie que la charge totale de l'atome est nulle :

$$\text{Nombre de protons} = \text{Nombre d'électrons}$$

b) Structure de l'atome neutre

À retenir : Un atome est neutre lorsque le nombre de protons est égal au nombre d'électrons.

1. Notation d’un atome

Un atome est noté sous la forme :

$${}^{A}_{Z}X$$

• $X$ : symbole chimique de l’élément (ex. H pour hydrogène, O pour oxygène).
• $Z$ : numéro atomique, égal au nombre de protons dans le noyau.
• $A$ : nombre de masse, égal au nombre total de nucléons (protons + neutrons).

2. Relations importantes

• Le nombre de neutrons $N$ dans un atome est donné par :

$$N = A - Z$$

• Le numéro atomique $Z$ détermine l’identité chimique de l’élément.
• Le nombre de masse $A$ caractérise l’isotope de l’élément.

La notation conventionnelle ${}^{A}_{Z}X$ indique le symbole de l’élément, son nombre de protons $Z$ et son nombre total de nucléons $A$.

1. Histoire des modèles de l'atome

a) Origine du concept d'atome

• Le mot "atome" vient du grec atomos, qui signifie "indivisible".
• Les premiers philosophes ont imaginé que la matière était composée de petites particules indivisibles appelées atomes.

b) Modèle de Dalton (début 19ᵉ siècle)

• La matière est formée d'atomes solides, indivisibles et indestructibles.
• Chaque élément chimique est constitué d'atomes identiques entre eux.
• Les atomes se combinent en proportions fixes pour former des composés.

c) Modèle de Thomson (fin 19ᵉ siècle)

• L'atome est une sphère chargée positivement dans laquelle sont enfoncés des électrons (particules chargées négativement).
• Modèle appelé "plum pudding" (pudding aux prunes).

d) Modèle de Rutherford (début 20ᵉ siècle)

• L'atome est constitué d'un noyau central chargé positivement, très petit et dense.
• Les électrons tournent autour du noyau dans un espace vide.
• Ce modèle explique la diffusion des particules alpha lors de l'expérience de Rutherford.

e) Modèle de Bohr (1913)

• Les électrons tournent autour du noyau sur des orbites circulaires stables.
• Chaque orbite correspond à un niveau d'énergie quantifié.
• Les électrons peuvent passer d'une orbite à une autre en absorbant ou en émettant un quantum d'énergie.

À retenir : Le modèle atomique a évolué du concept d'atome indivisible à une structure complexe avec un noyau et des électrons en mouvement quantifié.

1. Classification des éléments chimiques

Les éléments chimiques sont classés selon leur numéro atomique $Z$, qui correspond au nombre de protons dans le noyau de l'atome.

a) Tableau périodique des éléments

• Le tableau périodique organise les éléments en fonction de leur numéro atomique croissant.
• Chaque case correspond à un élément chimique avec ses propriétés caractéristiques.
• Les éléments sont regroupés en familles (colonnes) et périodes (lignes).

b) Familles principales

• Métaux alcalins (groupe 1) : très réactifs, un seul électron sur la couche externe.
• Halogènes (groupe 17) : très réactifs, 7 électrons sur la couche externe.
• Gaz nobles (groupe 18) : stables, couche externe complète.

c) Règle de classification

Les propriétés chimiques des éléments sont périodiques en fonction de leur numéro atomique.

Cette périodicité explique la structure du tableau périodique et permet de prévoir les propriétés des éléments inconnus.

À retenir : Le numéro atomique $Z$ détermine la nature de l'élément chimique et sa place dans le tableau périodique.