L’ atome

Le modèle de l’atome de Bohr-Rutherford Définition de l’atome : L’atome est la plus petite partie de la matière qui ne peut pas être divisée par transformation chimique, physique ou électrique. Plusieurs scientifiques ont travaillé à l’élaboration du modèle atomique ; John Dalton, Joseph John Thomson, Ernest Rutherford, Neils Bohr, James Chadwick, … D’après Bohr-Rutherford, l’atome est formé d’un noyau autour duquel gravitent (tournent) des électrons. Les électrons tournent autour du noyau très rapidement de façon désordonnée. Les électrons constituent un nuage électronique autour du noyau. Le noyau de l’atome est formé de particules appelées nucléons, qui sont : les protons et les neutrons.

Caractéristiques des particules de l’atome L’électron (symbole e-) (J. J. Thomson en 1897) L’électron porte une charge électrique négative, représentée par -e = – 1,6x10-19 C (C = coulomb). La masse de l’électron est trop petite. me- = 9,1 x 10-31 kg. Le proton (symbole p+) (Rutherford en 1913) Le proton porte une charge électrique positive, qui est égale à celle de l’électron en valeur absolue. Sa charge est +e = + 1,6x10-19 C. Sa masse est 1836 fois plus grande que celle de l’électron. mp+ = 1,67x10-27 kg

Caractéristiques des particules de l’atome Le neutron (symbole n) (Chadwick en 1932) Le neutron ne porte pas de charge électrique. Il est neutre. Sa masse est 1836 fois plus grande que celle de l’électron. Elle est presque égale à celle du proton. mn = mp+ = 1,67x10-27 kg Note : la charge électrique e = 1,6x10-19 C est appelée charge élémentaire. 99,9 % de la masse de l’atome se trouve au noyau. Le proton et le neutron sont formés de très petites particules appelées « quarks ». Le proton, le neutron et l’électron sont des particules subatomiques.

Les quarks sur YouTube Le vidéoclip suivant vous montre une simulation d’un proton et d’un neutron. Un proton est formé de 3 quarks : 2 up et 1 down (2u et 1d). Un neutron est formé de 3 quarks : 1 up et 1 down (1u et 2d). Cliquer sur l’adresse et observer. http://www.youtube.com/watch?v=fUMXfEpYAao

Une figure vaut mille mots! La figure n’est pas à l’échelle. La figure montre un atome, son noyau, un proton/un neutron et un électron.

Les dimensions de l’atome La figure montre que : L’électron est 1000 fois plus petit que le proton ou le neutron, 10 000 fois que le noyau et 100 000 000 fois que l’atome!

Les couches électroniques D’après Bohr (scientifique danois 1885-1962), les électrons se placent dans l’atome selon des niveaux d’énergie qu’on appelle couches électroniques. À partir du noyau, les couches sont désignées par les lettres K, L, M, N, … Chaque couche a un numéro n. Ce numéro s’appelle nombre quantique Principal. Pour la couche K, n = 1 (la première couche) Pour la couche L, n = 2 (la deuxième couche) Pour la couche M, n = 3 (la troisième couche) …

Le remplissage des couches La couche K contient au maximum 2 e- La couche L contient au maximum 8 e- La couche M contient au maximum 18 e- La couche N contient au maximum 32 e- Ce nombre maximum d’électrons par couche est donné par la formule (2n2), n est le numéro de la couche. Cette formule ne s’applique pas sur les couches O, P et Q.

Le numéro atomique Z On appelle nombre atomique ou numéro atomique Z,  le nombre de protons du noyau. La nature et les propriétés chimiques d'un atome sont liées au nombre de protons de son noyau, qui est son numéro atomique Z. L’atome est neutre. Donc, le nombre d’électrons est égal à celui de protons Z. Z = 6 pour l’élément carbone. Un atome de carbone contient 6 protons, donc 6 électrons.

Le nombre de masse A On appelle nombre de masse A, d’un atome, le nombre de protons et de neutrons (de nucléons) contenus dans son noyau. Si l’on désigne par N le nombre de neutrons, on voit que A = Z + N Les électrons de la couche périphérique sont appelés « électrons de valence ».

Exemple 1 Le numéro atomique d’un atome de sodium est Z = 11 et son nombre de masse A = 23. Détermine le nombre de proton, le nombre d’électrons et le nombre de neutrons de cet atome. Combien de couches électroniques y a-t-il dans cet atome? Explique la réponse. Dessine cet atome. Écris sa configuartion électronique.

Exemple 1 (solution), suite Le nombre de protons est Z = 11. L’atome est neutre, donc le nombre d’électrons = le nombre de protons = 11. Le nombre de neutrons N = A – Z = 23 -11 = 12 Dans cet atome, il y a : - 11 protons - 11 électrons - 12 neutrons

Exemple 1 (solution), suite Pour déterminer le nombre de couches électroniques, on prend le nombre d’électrons 11. - On remplit les couches de l’intérieur vers l’extérieur. - il y a 2 e- sur la première couche K - il y a 8 e- sur la deuxième couche L - il reste 1 e- sur la troisième couche M

Exemple 1 (solution), suite Le schéma de l’atome de sodium : On voit que cet atome contient un seul électron périphérique qui est l’électron de valence. La couche de valence contient 1 seul électron.

Exemple 1 (solution), suite Comment écrire la configuration électronique simple d’un atome? - On écrit le symbole de l’atome suivi de deux points, puis des couches K, L et M en ordre. - On met chaque couche entre deux parenthèses et le nombre d’électrons en exposant. Na : (K)2 (L)8 (M)1 Note : Le symbole Na du sodium vient de son nom latin natrium.

Exemple 2 (à votre tour) Le nombre de masse de l’atome de chlore est A = 35. Combien d’électrons, de protons et de neutrons y a-t-il dans cet atome? Quel est son numéro atomique Z? Écris sa configuration électronique simple.

Exemple 2 (réponses) Le nombre d’électrons = 17 (voir les points sur les couches), donc le nombre de protons = 17 (dans un atome neutre, ces deux nombres sont égaux). Le nombre de neutrons N = 35 -17 = 18. Le numéro atomique Z = le nombre de protons = 17 Sa configuration électronique Cl : (K)2 (L)8 (M)7

Les sous-couches électroniques  Chaque couche électronique K, L, M, N … est formée d’orbitales appelées sous-couches. Le nombre de sous-couches dans une couche est égal à son nombre quatique n. La couche K (n = 1) a une seule sous-couche représentée par la lette s. La couche L (n = 2) a deux sous-couches représentées par s et p. La couche M (n = 3) a trois sous-couches représentées par s, p et d. La couche N (n = 4) a quatre sous-couches représentées par s, p, d et f. Note : s = sharp p = principal d = diffuse f = fundamental Note : pour les atomes trop lourds, il existe une 5e sous-couche appelée g qu’on ne voit pas en 10e année.

La saturation des sous-couches La sous-couche s peut contenir au maximum 2e- . La sous-couche p peut contenir au maximum 6e-. La sous-couche d peut contenir au maximum 10e-. La sous-couche f peut contenir au maximum 14e-. Note : Chacune des couches K, L, M et N a la sous-couche s. Chacune des couches L, M et N a la sous-couche p. Chacune des couches M et N a la sous-couche d. La couche N a la sous-couche f.

Résumé Couche Nombre max. d’électrons Nombre de sous-couches K (n = 1) 2e- 1 s L (n = 2) 8e- 2 p 6e- M (n = 3) 18e- 3 d 10e- N (n = 4) 32e- 4 f 14e-

La configuration électronique et les sous-couches La configuration électronique simple de l’atome de sodium est Na : (K)2 (L)8 (M)1 Pour écrire la configuration électronique du sodium avec les sous-couches : On remplace la couche par ses sous-couches. On place le numéro de la couche en avant de la lettre qui représente la sous-couche. On met le nombre d’électrons en exposant. Na : 1s2 2s2 2p6 3s1

Les deux configurations L’atome de sodium Z = 11 n 1 2 3 Na (K)2 (L)8 (M)1 1s2 2s2 2p6 3s1

L’atome de chlore Z = 17 n 1 2 3 Cl (K)2 (L)8 (M)7 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

L’atome d’argon Z = 18 n 1 2 3 Ar (K)2 (L)8 (M)8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 L’argon est un gaz rare (on dit aussi gaz noble ou gaz inerte). La couche périphérique M de son atome contient 8 électrons et sa sous-couche 3d est vide. n 1 2 3 Ar (K)2 (L)8 (M)8 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6

L’atome de calcium Son symbole est Ca. L’atome a 4 couches K, L, M et N. Sur les couches, il y a 20 électrons. Son numéro atomique Z = 20 Son nombre de masse A = 40 20 électrons, 20 protons et 20 neutrons Remarquer comment les 20 électrons sont répartis sur les couches K, L, M et N. La sous-couche 4s se remplit avant la sous-couche 3d.

L’atome de calcium (Z = 20) n 1 2 3 4 Ca (K)2 (L)8 (M)8 (N)2 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

La représentation d’un atome On représente le noyau un atome (appelé nucléide ou nuclide)par son symbole X devant lequel on met : Le numéro atomique Z en indice Le nombre de masse A en exposant Exemple : Le nuclide de l’hélium