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Structure de l'atome

Identifier les particules élémentaires de l'atome et leurs propriétés. Calculer le nombre de protons, neutrons et électrons à partir du numéro atomique et du nombre de masse. Comprendre la notion d'isotope. Établir une configuration électronique simple.

Cours

Tout atome est constitué d'un noyau central, très dense et chargé positivement, entouré d'un nuage d'électrons chargés négativement. Le noyau contient deux types de particules : les protons, chargés positivement, et les neutrons, électriquement neutres. Les électrons, bien plus légers, gravitent autour du noyau et portent une charge négative égale en valeur absolue à celle d'un proton.

Le numéro atomique Z correspond au nombre de protons dans le noyau : il définit l'identité chimique de l'élément (tous les atomes de carbone ont Z = 6, quel que soit leur nombre de neutrons). Le nombre de masse A correspond à la somme des protons et des neutrons. Un atome neutre possède autant d'électrons que de protons.

Deux atomes d'un même élément (même Z) peuvent posséder un nombre de neutrons différent : on parle alors d'isotopes. Le carbone-12 et le carbone-14, par exemple, ont tous deux 6 protons mais respectivement 6 et 8 neutrons.

Les électrons se répartissent autour du noyau selon des niveaux d'énergie appelés couches électroniques, remplies selon un ordre précis. Cette répartition, appelée configuration électronique, détermine en grande partie la réactivité chimique de l'atome — en particulier le nombre d'électrons sur la couche la plus externe (électrons de valence).

Illustration : remplissage électronique (règle de Hund)

2p³ (azote, N) ↑↑↑ correct : 1 électron par case avant d'apparier ↑↓ ✗ incorrect (viole Hund)
Règle de Hund : les électrons occupent d'abord chaque orbitale d'une sous-couche seuls (spins parallèles) avant de s'apparier — configuration qui minimise la répulsion électronique.

Calcul : configuration électronique et électrons non appariés

Ordre de remplissage (règle de Klechkowski) : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p…1s,\,2s,\,2p,\,3s,\,3p,\,4s,\,3d,\,4p\ldots — noter que 4s4s se remplit avant 3d3d. Exemple pour le fer (Z=26Z=26) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d61s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^2\,3d^6. En appliquant Hund aux 6 électrons de la sous-couche 3d3d (5 orbitales) : les 5 orbitales reçoivent d'abord chacune 1 électron, puis le 6ᵉ s'apparie dans la première — il reste donc 4 électrons non appariés, ce qui explique le comportement paramagnétique du fer.

Les 4 nombres quantiques décrivent un électron de façon unique : nn (niveau d'énergie, 1,2,3…), ll (sous-couche, 0 à n−1n-1 : s,p,d,fs,p,d,f), mlm_l (orientation de l'orbitale, −l-l à +l+l), msm_s (spin, +12+\tfrac{1}{2} ou −12-\tfrac{1}{2}). Deux électrons d'un même atome ne peuvent jamais avoir les 4 identiques (principe d'exclusion de Pauli) — c'est pourquoi une orbitale contient au maximum 2 électrons, de spins opposés.

Chambre à brouillard : les traînées visibles sont les trajectoires réelles de particules subatomiques émises par des sources radioactives (Am-241, Sr-90/Y-90).
Chambre à brouillard : les traînées visibles sont les trajectoires réelles de particules subatomiques émises par des sources radioactives (Am-241, Sr-90/Y-90). — Kebuk awan, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0).

Concepts clés

  • Proton : charge +1, dans le noyau. Neutron : charge nulle, dans le noyau. Électron : charge -1, autour du noyau.
  • Numéro atomique Z = nombre de protons = identité de l'élément.
  • Nombre de masse A = protons + neutrons.
  • Isotopes : même Z, nombre de neutrons différent.
  • Électrons de valence : électrons de la couche externe, responsables de la réactivité chimique.

Formules

Nombre de neutrons : N=A−ZN = A - Z

Pour un atome neutre : ne−=Zn_{e^-} = Z

Explication intuitive

Imagine le noyau comme une petite bille très lourde et dense au centre d'un stade, et les électrons comme des spectateurs très légers et agités, dispersés dans les gradins à différentes hauteurs (les couches). Ce qui définit "l'équipe" (l'élément), c'est le nombre de billes dans le noyau — pas le nombre de spectateurs présents à un instant donné.

Pièges fréquents à l'IMAT

Confondre numéro atomique (Z, nombre de protons) et nombre de masse (A, protons + neutrons) — une erreur très fréquente sous la pression du chronomètre. Autre piège : croire que deux isotopes d'un même élément ont des propriétés chimiques différentes — elles sont quasiment identiques, seules les propriétés nucléaires (radioactivité, masse) changent.

Questions d'entraînement

1. Un atome possède Z = 17 et A = 35. Combien de neutrons contient-il ?
2. Deux atomes ont le même numéro atomique mais un nombre de masse différent. Que sont-ils ?

Questions type IMAT

1. Un ion X³⁺ possède 10 électrons et son noyau contient 13 protons. Combien de neutrons possède le noyau si le nombre de masse de X est 27 ?

Sources

Commentaires

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