ATOMES
Protons, électrons, neutrons
représentation d’un proton
représentation d’un électron
représentation d’un neutron
Tous les atomes sont constitués des mêmes “briques” : les protons, les électrons et les neutrons. On peut les assimiler à de minuscules particules, comme des petites billes plus ou moins volumineuses.
Protons, neutrons et électrons
C
Des particules de même signe se repoussent
Deux Protons se repoussent 
Deux électrons se repoussent 
Mais un protons et un électron s’attirent
Les masses et volumes de ces particules sont résumées dans le tableau c-dessous :
| Proton | Electron | Neutron | |
| Charge électrique en coulombs |
+1,602 x 10-19 C | -1, 1,602 x 10-19 C | 0 C |
| Masse en kilogramme |
1,672 x 10-27 kg | 9,109 x 10-31 kg | 1,674 x 10-27 kg |
| Diamètre en mètre |
0,841 x 10-15 m | Ponctuel d<10-22 m |
0,841 x 10-15 m |
Les protons et les neutrons sont toujours tous groupés au centre de l’atome. C’est ce qu’on appelle le noyau, comme le noyau d’un fruit est au milieu.
Les électrons gravitent autour du noyau. Ils seraient dans la chaire du fruit.
Attention, le fruit n’est qu’une image pour se représenter à peu près la réalité qui est bien plus complexe. Tu le verras au fur et à mesure de tes études.
Donc les atomes sont tous construits de la même façon : un noyau constitué de protons et de neutrons et d’électrons qui tournent autour de ce noyau.
L’atome le plus simple est celui d’hydrogène, constitué d’un proton et d’un électron. Il n’a pas de neutron dans son noyau.
Pour représenter un atome, pour le symboliser, on le désigne en général par la première lettre de son nom (H). En haut à gauche on note le nombre de nucléons (protons + neutrons) et en bas à gauche le nombre de protons. Le nombre de neutrons est donné par la différence des deux chiffres. Ici 0
l’atome d’hydrogène possède 1 proton et 1 électron. C’est tout. Il n’a pas de neutron.
Pour se donner une idée des dimensions d’un atome :
Si on imagine que l’atome est une sphère de 100 m de rayon, le noyau aura la taille d’un petit pois. L’électron, tout petit tourne à 100 m du petit pois. Entre les deux c’est le vide.
Isotopes
Nous venons de voir dans le chapitre précédent que l’atome d’hydrogène était constitué d’un proton et d’un électron. Il s’agit de l’hydrogène le plus abondant dans la nature.
Mais ne pourrait-on pas rajouter à cet atome, dans son noyau, un ou deux neutrons ?
Il conserverait son seul proton et son seul électron.
Ajoutons un neutron dans le noyau :
A l’atome originel, on a rajouter 2 neutrons. C’est un autre isotope de l’hydrogène qui a toujours un proton et un électron. On l’appelle Tritium.Il a les mêmes propriétés chimiques que l’hydrogène mais il est encore, c’est évident, plus lourd.
Ainsi l’hydrogène qui est constitué d’un proton et d’un électron possède deux isotopes suivant qu’on lui rajoute 1 ou 2 neutrons dans son noyau.
Construction des atomes et isotopes
Un atome est électriquement neutre. C’est à dire qu’il ne sera attiré par aucune charge électrique qu’elle soit positive ou négative. Un atome n’est pas sensible à l’électricité.
Pourtant il possède des charges positives dans son noyau et des charges négatives qui gravitent autour. Mais il y a toujours autant de charges négatives que de charges positives dans un atome. Donc elles s’annulent.
Un atome est électriquement neutre : il possède autant d’électrons que de protons.
A partir de l’atome d’hydrogène, je vais rajouter un proton dans le noyau et donc un électron qui tourne autour. Cela s’appelle l’Hélium.
Si à l’atome d’hélium je rajoute des neutrons, j’obtiens les différents isotopes de cet hélium. La formule surlignée en rouge représente l’atome d’hélium le plus abondant dans la nature.
L’atome d’hélium ne peut pas avoir plus de deux électrons sur son orbite. On appelle cela une couche. C’est la première couche. Elle est saturée avec deux électrons. C’est la règle du duet. Pour ajouter d’autres électrons, il faut les répartir sur une autre couche, la deuxième.
Ainsi si je veux rajouter un proton dans le noyau, je dois rajouter un électron sur une deuxième couche. Je vais obtenir le Lithium Li. En ajoutant des neutrons dans le noyau j’obtiendrai ses isotopes.
Je peux continuer à rajouter un proton et un électron. J’obtiendrai Béryllium, Be. Puis ses isotopes en ajoutant un ou plusieurs neutrons.
Je continue dans la même lancée. J’ai le Bore, B . (mais pas l’argent du bore !)
Et ainsi de suite. Chaque élément de la matière naturelle, chaque atome est obtenu en ajoutant un proton et un électron au précédent et accessoirement des neutrons pour les isotopes.
Je m’arrête au Carbone C;
Le carbone 12 est le plus commun dans l’univers. Le carbone 14 a deux neutrons supplémentaires. Il est instable et a tendance à les perdre. Il sert à dater certains objets archéologiques.
On peut continuer ainsi en ajoutant chaque fois un proton et un électron pour obtenir un nouvel atome. Dans la nature, sur terre on peut aller jusqu’à 92 protons et électrons qui correspond à l’Uranium.
Les éléments en rouge se trouvent dans la nature car ils sont stables, ils ne se décomposent pas spontanément.
Les autres éléments ne se trouvent que très peu dans la nature car leur noyau se décompose spontanément en donnant des particules. Mais nous verrons cela plus tard. Tous les atomes sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments ou tableau de Mendeleïev du nom de son inventeur.
En bas à gauche le nombre de protons et donc le nombre d’électrons
En haut à gauche le nombre de nucléons (protons + neutrons)
En haut à droite la masse molaire atomique (On verra plus tard ce qu’est la masse molaire)
Classification périodique des éléments
Couches électroniques
Les électrons ne se répartissent pas n’importe comment autour du noyau. Ils se disposent selon des couches.
Nous avons vu que la première couche K d’électrons ne pouvait contenir que 2 électrons. Pour cette première couche n=1
La deuxième couche L ne pourra contenir que 8 électrons. Elle est saturée avec 8 électrons.
Pour cette deuxième couche n=2
La troisième couche M ne pourra contenir que 18 électrons. Elle est saturée avec 18 électrons.
Pour cette troisième couche n=3
La quatrième couche N ne pourra contenir que 32 électrons. Elle est saturée avec 32 électrons.
Pour cette quatrième couche n=4
La cinquième couche O ne pourra contenir que 50 électrons. Elle est saturée avec 50 électrons.
Pour cette cinquième couche n=5
La sixième couche P ne pourra contenir que 72 électrons. Elle est saturée avec 72 électrons.
Pour cette couche n=6
Enfin la septième couche ne pourra contenir que 98 électrons. Elle est saturée avec 98 électrons.
Pour cette couche n=7
En principe le nombre d’électrons maximum qu’on peut dénombrer sur une couche est 2n²
Mais au-delà de 18 électrons au total tout se complique. Il existe des sous couche. On aborde la physique quantique.
La dernière couche d’un atome est toujours limitée à 8 électrons. C’est la règle de l’octet.
Représentation des électrons sur les couches
représentation de la structure électronique d’un atome :
Le carbone possède 2 électrons sur sa première couche et 4 électrons sur la deuxième
L’oxygène possède 2 électrons sur la première couche, 8 sur la deuxième et 6 sur la troisième :
Règle du duet :
La première couche électronique est saturée avec deux électrons.
Règle de l’octet :
quel que soit l’atome sa dernière couche est toujours saturée avec 8 électrons.
Dans un atome il y a toujours autant d’électrons que de protons, autant de charges négatives que de charges positif.
Voir la suite avec le chapitre ions