Structure de l'Atome
Introduction : L’infiniment petit dans notre quotidien
Imagine que tu tiens un grain de sable entre tes doigts. Ce grain est composé de milliards de molécules, elles-mêmes formées d’atomes. L’atome est la brique fondamentale de la matière qui nous entoure : l’air que tu respires, l’eau que tu bois, ton téléphone portable… tout est constitué d’atomes ! Pourquoi étudier la structure de l’atome ? - Comprendre les réactions chimiques (pourquoi le fer rouille, comment fonctionne une pile). - Expliquer les propriétés des matériaux (conductivité, solidité, transparence). - Développer des technologies (lasers, imagerie médicale, énergie nucléaire). Exemple concret : Quand tu allumes une LED, des électrons se déplacent dans le matériau semi-conducteur. Sans la connaissance des atomes, cette technologie n’existerait pas ! ---
Définitions clés
- Atome : Plus petite partie d’un élément chimique qui en conserve les propriétés. - Noyau : Partie centrale de l’atome, contenant des protons (charges positives) et des neutrons (neutres). - Électrons : Particules chargées négativement qui gravitent autour du noyau. - Numéro atomique Z : Nombre de protons dans le noyau. Il définit l’élément chimique. - Nombre de masse A : Somme des protons et des neutrons (A = Z + N).
Lois importantes
- Neutralité électrique : Dans un atome, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons. - Modèle planétaire (simplifié) : Les électrons tournent autour du noyau comme les planètes autour du Soleil. En réalité, c’est plus complexe (modèle quantique). ---
3.1 Le noyau atomique
Le noyau est 100 000 fois plus petit que l’atome lui-même, mais il concentre 99,97% de sa masse. C’est comme une mouche au centre d’un stade de football ! - Protons : Charge = $+1,602 \times 10^{-19}$ C, Masse = $1,6726 \times 10^{-27}$ kg. - Neutrons : Charge = 0, Masse ≈ celle du proton. Pourquoi le noyau ne se désintègre pas ? Les protons se repoussent (même charge positive), mais une force intense, l’interaction forte, les maintient liés aux neutrons.
3.2 Le cortège électronique
Les électrons (charge = $-1,602 \times 10^{-19}$ C, masse = $9,109 \times 10^{-31}$ kg) sont organisés en couches ou niveaux d’énergie : - Couche K (n=1) : 2 électrons max. - Couche L (n=2) : 8 électrons max. - Couche M (n=3) : 18 électrons max. Analogie : Pense à un immeuble : - Rez-de-chaussée (couche K) : places limitées, électrons proches du noyau. - Étage supérieur (couche L, M…) : électrons plus éloignés, moins liés au noyau.
3.3 Représentation symbolique
Un atome est noté : $$^{A}_{Z}X$$ Où : - X = symbole de l’élément (C, O, Fe…) - A = nombre de masse - Z = numéro atomique Exemple : Le carbone 12 s’écrit $^{12}_{6}C$. ---
Formules importantes
| Formule | Signification | Unité | |---------|---------------|-------| | $A = Z + N$ | Nombre de masse = protons + neutrons | Sans unité | | $q_p = +e$ | Charge du proton = $+1,602 \times 10^{-19}$ C | Coulomb (C) | | $q_e = -e$ | Charge de l’électron | Coulomb (C) | | $m_p \approx 1,67 \times 10^{-27}$ | Masse du proton | Kilogramme (kg) | Application : Atome de fluor : $^{19}_{9}F$ - Z = 9 protons - A = 19 - N = A - Z = 19 - 9 = 10 neutrons - 9 électrons (car atome neutre). ---
Exercice 1 : Identifier les particules
L’atome d’aluminium a pour représentation $^{27}_{13}Al$. 1. Combien a-t-il de protons ? 13 2. Combien a-t-il de neutrons ? 27 - 13 = 14 3. Combien a-t-il d’électrons ? 13 (atome neutre).
Exercice 2 : Écrire la représentation symbolique
Un atome possède 11 protons, 12 neutrons et 11 électrons. - Z = 11 → sodium (Na) - A = 11 + 12 = 23 - Représentation : $^{23}_{11}Na$.
Exercice 3 : Ions (atomes chargés)
L’ion oxygène $O^{2-}$ a 8 protons. - Atome neutre : 8 électrons. - Ion $O^{2-}$ : 2 électrons supplémentaires → 10 électrons. ---
6.1 Médecine
- IRM : Utilise le spin des protons des atomes d’hydrogène de notre corps pour créer des images. - Radiothérapie : Bombarde des atomes cancéreux avec des particules pour détruire les cellules malades.
6.2 Technologie
- Transistors : Contrôlent le flux d’électrons dans les circuits électroniques (ordinateurs, smartphones). - Écrans LED : Émission de lumière quand des électrons changent de niveau d’énergie dans des atomes semi-conducteurs.
6.3 Énergie
- Centrales nucléaires : Basées sur la fission de noyaux d’uranium ($^{235}_{92}U$). - Piles : Fonctionnent grâce à des transferts d’électrons entre atomes. ---
7.1 Atome… indivisible ?
Le mot “atome” vient du grec atomos = “insécable”. Pourtant, on sait depuis le XXe siècle qu’on peut le diviser !
7.2 Nous sommes des poussières d’étoiles
Les atomes lourds (fer, or…) ont été créés lors de l’explosion d’étoiles (supernovae). Le carbone de ton corps, l’oxygène que tu respires… tout vient du cosmos !
7.3 Presque… du vide !
Si on agrandissait un atome à la taille d’un stade, le noyau serait un petit pois au centre, et les électrons des grains de sable dans les gradins. Le reste : du vide !
Le savais-tu ?
La datation au carbone 14 ($^{14}_{6}C$) permet de déterminer l’âge des fossiles ou des œuvres d’art en mesurant la désintégration radioactive de ces atomes. ---
Concepts essentiels
1. Un atome est constitué d’un noyau (protons + neutrons) et d’électrons en mouvement autour. 2. Numéro atomique Z = nombre de protons = identité de l’élément. 3. Nombre de masse A = protons + neutrons. 4. Atome neutre : nombre d’électrons = nombre de protons. 5. Les électrons sont organisés en couches (K, L, M…).
Formules clés
- $A = Z + N$ - Charge proton : $+e = +1,602 \times 10^{-19}$ C - Charge électron : $-e$ - Masse proton ≈ $1,67 \times 10^{-27}$ kg
Points cles a retenir
- $$^{A}_{Z}X$$
- Exemple type :
- $^{23}_{11}Na$ → Sodium, 11 protons, 12 neutrons, 11 électrons (si atome neutre).
- Pour aller plus loin :
- Observe le tableau périodique : l’ordre des éléments suit Z !
- Expérience simple : frotte un ballon sur un pull en laine. Les électrons se transfèrent, créant de l’électricité statique : tu manipules des atomes !
- La compréhension de l’atome a révolutionné notre monde. Cette brique infinitésimale est la clé de la chimie, de la physique moderne et des technologies futures.
