L'atome et la classification périodique
Seconde · Physique-Chimie · Constitution et transformations de la matière
Constitution et transformations de la matière
La structure de l'atome
Toute la matière est faite d'atomes. Comprendre comment ils sont construits, c'est comprendre pourquoi le sodium explose dans l'eau, pourquoi les gaz nobles ne réagissent avec rien, et pourquoi le tableau périodique a exactement cette forme. Tout part de trois particules.
| Particule | Localisation | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|---|
| Proton | Noyau | +e = +1,6 × 10⁻¹⁹ C | ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Neutron | Noyau | nulle | ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Électron | Nuage électronique | −e = −1,6 × 10⁻¹⁹ C | ≈ 9,1 × 10⁻³¹ kg (≈ 2000 fois plus léger) |
Numéro atomique, nombre de masse, écriture symbolique.
Un noyau se décrit avec deux nombres, écrits à gauche du symbole de l'élément :
• Z, le numéro atomique : c'est le nombre de protons. Il définit l'élément chimique (Z = 6, c'est du carbone, toujours).
• A, le nombre de masse : c'est le nombre total de nucléons, protons et neutrons réunis.
On en déduit immédiatement le nombre de neutrons :
N = A − Z
Et pour un atome neutre : nombre d'électrons = Z.
Un atome, c'est essentiellement du vide
- Diamètre d'un atome : environ 10⁻¹⁰ m (0,1 nanomètre).
- Diamètre d'un noyau : environ 10⁻¹⁵ m.
- Le rapport vaut donc 10⁻¹⁰/10⁻¹⁵ = 10⁵ : l'atome est 100 000 fois plus grand que son noyau.
- Image mentale : si le noyau était une bille d'un centimètre au centre d'un stade, les électrons occuperaient les tribunes. Entre les deux, du vide.
- Les électrons étant environ 2000 fois plus légers que les nucléons, toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau.
Constitution et transformations de la matière
Configuration électronique et classification périodique
Les électrons ne se placent pas n'importe comment autour du noyau : ils occupent des sous-couches successives, remplies dans un ordre imposé. C'est ce rangement qui explique toute la chimie de l'élément.
| Élément | Z | Configuration électronique | Électrons de valence |
|---|---|---|---|
| Hydrogène | 1 | 1s1 | 1 |
| Carbone | 6 | 1s2 2s2 2p2 | 4 |
| Oxygène | 8 | 1s2 2s2 2p4 | 6 |
| Néon | 10 | 1s2 2s2 2p6 | 8 |
| Sodium | 11 | 1s2 2s2 2p6 3s1 | 1 |
| Magnésium | 12 | 1s2 2s2 2p6 3s2 | 2 |
| Chlore | 17 | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 | 7 |
| Argon | 18 | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 | 8 |
Lire la classification périodique.
Les éléments sont rangés par Z croissant, et ce rangement fait apparaître une régularité remarquable :
• une ligne (période) correspond au numéro de la dernière couche occupée : les éléments de la 3ᵉ ligne remplissent la couche 3 ;
• une colonne (famille) regroupe les éléments ayant le même nombre d'électrons de valence. C'est pour cela qu'ils ont des propriétés chimiques semblables.
- 1ʳᵉ colonne, les alcalins (lithium, sodium, potassium) : 1 électron de valence, très réactifs, forment des ions positifs de charge +.
- 2ᵉ colonne, les alcalino-terreux (magnésium, calcium) : 2 électrons de valence, forment des ions 2+.
- Avant-dernière colonne, les halogènes (fluor, chlore, brome) : 7 électrons de valence, forment des ions négatifs de charge −.
- Dernière colonne, les gaz nobles (hélium, néon, argon) : couche externe saturée, chimiquement inertes.
Exercices corrigés
Que contient le noyau d'un atome ?
- A.Uniquement des protons
- B.Des protons et des neutronsBonne réponse
- C.Des protons et des électrons
- D.Des neutrons et des électrons
Réponse : B — Des protons et des neutrons
Le noyau rassemble les nucléons, c'est-à-dire les protons (chargés positivement) et les neutrons (de charge nulle). Les électrons, eux, se trouvent à l'extérieur du noyau, dans le nuage électronique. C'est une erreur fréquente de placer les électrons dans le noyau : ils en sont au contraire très éloignés, l'atome étant environ 100 000 fois plus grand que son noyau.
Que représente le numéro atomique Z ?
- A.Le nombre de protonsBonne réponse
- B.Le nombre de neutrons
- C.Le nombre total de nucléons
- D.La masse de l'atome
Réponse : A — Le nombre de protons
Z est le numéro atomique : il compte les protons du noyau, et c'est lui qui définit l'élément chimique. Tout noyau à 6 protons est du carbone, quel que soit son nombre de neutrons. Le nombre total de nucléons est A, le nombre de masse, et les neutrons s'obtiennent par la soustraction N = A − Z. Retiens : changer Z, c'est changer d'élément.
Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?
- A.Parce que les neutrons annulent la charge des protons
- B.Parce que les électrons n'ont pas de charge
- C.Parce qu'il contient autant d'électrons que de protonsBonne réponse
- D.Parce que le noyau n'est pas chargé
Réponse : C — Parce qu'il contient autant d'électrons que de protons
Un proton porte la charge +e et un électron la charge −e, exactement opposées. Comme un atome neutre contient autant d'électrons que de protons, la somme des charges est nulle : l'atome est neutre. Les neutrons n'y sont pour rien puisque leur charge est déjà nulle. Le noyau, lui, est bel et bien chargé positivement (charge +Z × e) : c'est le nuage électronique qui compense.
Un noyau d'aluminium a pour nombre de masse A = 27 et pour numéro atomique Z = 13. Combien contient-il de neutrons ?
- A.27
- B.13
- C.40
- D.14Bonne réponse
Réponse : D — 14
Le nombre de neutrons se calcule par N = A − Z = 27 − 13 = 14. Vérification : 13 protons + 14 neutrons = 27 nucléons, ce qui correspond bien à A. Répondre 13 serait donner le nombre de protons, et répondre 27 le nombre total de nucléons. L'erreur la plus grossière est l'addition (40), qui n'a aucun sens puisque A compte déjà les protons.
Quelle est la configuration électronique de l'atome de carbone (Z = 6) ?
- A.1s2 2s4
- B.1s2 2s2 2p4
- C.1s2 2s2 2p2Bonne réponse
- D.1s4 2s2
Réponse : C — 1s2 2s2 2p2
Il faut placer 6 électrons dans l'ordre 1s, 2s, 2p. On sature 1s (2 électrons), puis 2s (2 électrons) : il en reste 6 − 4 = 2, qui vont dans 2p. D'où 1s2 2s2 2p2. Vérification par addition des exposants : 2 + 2 + 2 = 6 = Z. La réponse 1s2 2s2 2p4 totalise 8 électrons, c'est l'oxygène. Et 1s4 est impossible : une sous-couche s ne peut contenir que 2 électrons.
Deux noyaux isotopes ont :
- A.le même Z mais des A différentsBonne réponse
- B.le même A mais des Z différents
- C.le même nombre de neutrons mais des Z différents
- D.des Z et des A tous les deux différents
Réponse : A — le même Z mais des A différents
Des isotopes sont des noyaux du même élément : ils ont donc obligatoirement le même nombre de protons, c'est-à-dire le même Z. Ce qui les distingue est leur nombre de neutrons, donc leur nombre de masse A. Exemple : le chlore 35 (17 protons, 18 neutrons) et le chlore 37 (17 protons, 20 neutrons). Si Z changeait, on ne parlerait plus d'isotopes mais d'éléments différents.
Qu'ont en commun les éléments d'une même colonne de la classification périodique ?
- A.Le même nombre de neutrons
- B.Le même nombre total d'électrons
- C.Le même nombre d'électrons de valenceBonne réponse
- D.Le même nombre de masse A
Réponse : C — Le même nombre d'électrons de valence
Les colonnes regroupent les éléments ayant le même nombre d'électrons sur leur couche externe, les électrons de valence. Comme ce sont eux qui gouvernent la réactivité chimique, les éléments d'une même colonne ont des propriétés très semblables : c'est pourquoi on parle de familles (alcalins, halogènes, gaz nobles). Le nombre total d'électrons, lui, augmente forcément quand on descend dans une colonne, puisque Z croît. Ce sont les LIGNES qui indiquent le numéro de la couche externe.
Combien d'électrons possède l'ion sodium Na+ ? (sodium : Z = 11)
- A.10Bonne réponse
- B.11
- C.12
- D.22
Réponse : A — 10
L'atome de sodium neutre possède 11 électrons (autant que de protons). La charge + de l'ion signifie qu'il a PERDU un électron : il lui en reste donc 11 − 1 = 10. Sa configuration devient 1s2 2s2 2p6, exactement celle du néon : l'octet est respecté, ce qui explique la stabilité de cet ion. Le piège classique est d'ajouter un électron parce qu'on voit un signe « + » : c'est l'inverse, une charge positive traduit un manque d'électrons.
Un atome a pour configuration électronique 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3. Quel est son numéro atomique Z ?
- A.13
- B.16
- C.15Bonne réponse
- D.18
Réponse : C — 15
Pour un atome neutre, Z est égal au nombre d'électrons, c'est-à-dire à la somme des exposants : 2 + 2 + 6 + 2 + 3 = 15. Il s'agit du phosphore. Refaisons l'addition dans l'autre sens pour être sûr : 2 + 2 = 4, 4 + 6 = 10, 10 + 2 = 12, 12 + 3 = 15. Cet atome possède 5 électrons de valence (2 en 3s et 3 en 3p) et se trouve donc en 3ᵉ ligne, dans la colonne de l'azote.
Un ion X²⁻ possède 18 électrons. Quel est le numéro atomique de l'élément X ?
- A.16Bonne réponse
- B.18
- C.20
- D.14
Réponse : A — 16
La charge 2− signifie que l'atome a GAGNÉ 2 électrons. L'atome neutre en possédait donc 18 − 2 = 16, et comme il est neutre, Z = 16 : c'est le soufre. Vérifions : le soufre a pour configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4, soit 6 électrons de valence ; en gagnant 2 électrons il atteint l'octet et devient S²⁻, isoélectronique de l'argon. Le piège est d'ajouter 2 au lieu de retirer 2 en voyant le signe moins.
Le chlore 35 (Z = 17, A = 35) et le chlore 37 (Z = 17, A = 37) sont deux isotopes. Qu'est-ce qui les différencie ?
- A.Le chlore 37 a 2 protons de plus
- B.Le chlore 37 a 2 neutrons de plusBonne réponse
- C.Le chlore 37 a 2 électrons de plus
- D.Ils ont des propriétés chimiques très différentes
Réponse : B — Le chlore 37 a 2 neutrons de plus
Calculons les neutrons de chacun : pour le chlore 35, N = 35 − 17 = 18 ; pour le chlore 37, N = 37 − 17 = 20. La différence est donc de 2 neutrons. Le nombre de protons est identique (17) puisqu'il s'agit du même élément, et celui d'électrons aussi pour les atomes neutres. C'est justement parce que le cortège électronique est identique que deux isotopes ont les MÊMES propriétés chimiques : seule la masse diffère.
Un atome de fer a pour nombre de masse A = 56 et contient 30 neutrons. Combien possède-t-il d'électrons ?
- A.30
- B.56
- C.26Bonne réponse
- D.86
Réponse : C — 26
Il faut passer par Z. Comme A = Z + N, on a Z = A − N = 56 − 30 = 26 : le noyau contient 26 protons. L'atome étant électriquement neutre, il possède autant d'électrons que de protons, soit 26 électrons. Vérification : 26 protons + 30 neutrons = 56 nucléons, ce qui redonne bien A. L'erreur fréquente est de répondre 30, c'est-à-dire de confondre neutrons et électrons.
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