Ressources · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
Le noyau de l’atome
Atomes, molécules et ions : qualifier une entité et écrire la formule d’un composé ionique ; le noyau, ses protons et ses neutrons, le numéro atomique Z, le nombre de masse A et l’écriture conventionnelle ; charges et neutralité de l’atome ; la masse concentrée dans le noyau ; tailles et ordres de grandeur : une matière lacunaire
À propos de cette page
Espèces et entités : atome, molécule, ion
Au collège, tu as vu que la matière est faite d’atomes, que l’atome est formé d’un noyau (protons et neutrons) entouré d’électrons et qu’il est neutre (Atome : noyau, électrons et neutralité), et que le noyau est des dizaines de milliers de fois plus petit que l’atome (Univers : galaxies, système solaire et éléments chimiques). En seconde, on écrit le noyau, on chiffre ses charges, sa masse et sa taille.
Espèce et entité. Une espèce chimique (l’eau, le fer, le chlorure de sodium…) est une collection d’un nombre très élevé d’entités identiques. Les entités chimiques sont des atomes, des molécules ou des ions.
Atome. Entité électriquement neutre formée d’un noyau et d’électrons. Formule : un seul symbole, sans charge (Ne, Zn).
Molécule. Assemblage électriquement neutre d’atomes liés entre eux. Formule : plusieurs symboles, sans charge (O₃, CH₄, H₂O).
Ion. Entité électriquement chargée, écrite avec sa charge en haut à droite. Un cation est chargé positivement : il a perdu des électrons (Zn²⁺ en a perdu 2). Un anion est chargé négativement : il en a gagné (F⁻ en a gagné 1). Un ion est monoatomique (Zn²⁺, F⁻) ou polyatomique (SO₄²⁻, CO₃²⁻).
Électroneutralité de la matière. À notre échelle, la matière n’est pas chargée. Un solide ionique, comme une solution qui contient des ions, renferme donc des cations et des anions en proportions telles que la charge totale est nulle. La formule d’un composé ionique indique ces proportions, cation en premier et sans écrire les charges.
Qualifier des entités. Ne : atome. O₃ (l’ozone) : molécule de 3 atomes d’oxygène. Zn²⁺ : cation (un atome de zinc qui a perdu 2 électrons). SO₄²⁻ : anion polyatomique (5 atomes, 2 électrons gagnés par l’ensemble).
Formule d’un composé ionique. Le chlorure de sodium contient des ions Na⁺ et Cl⁻ : une charge + pour une charge −, d’où la formule NaCl. Le fluorure de calcium contient des ions Ca²⁺ et F⁻ : il faut deux ions F⁻ pour compenser la charge 2+ d’un ion Ca²⁺, d’où CaF₂.
Réflexe — je regarde d’abord la charge : pas de charge → atome (un symbole) ou molécule (plusieurs) ; charge + → cation ; charge − → anion. Pour un composé ionique, je cherche combien d’ions de chaque sorte donnent une charge totale nulle.
Attention — un cation a perdu des électrons, il n’a pas gagné de protons : Zn²⁺ a le même noyau que l’atome Zn. Et ne pas confondre O₂ (molécule de dioxygène) avec O²⁻ (ion oxyde) : l’indice en bas compte des atomes, l’exposant en haut indique une charge.
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Le noyau : nucléons, Z, A et écriture conventionnelle
Le noyau. Il est formé de protons et de neutrons, appelés ensemble les nucléons. Autour du noyau se trouvent les électrons, qui forment le cortège électronique.
Numéro atomique Z : nombre de protons du noyau. Nombre de masse A : nombre de nucléons. Nombre de neutrons : N = A − Z.
Écriture conventionnelle d’un noyau : , où X est le symbole de l’élément, A en haut à gauche et Z en bas à gauche. On écrit aussi : Z se lit alors dans le tableau périodique, car il est fixé par le symbole.
Élément chimique. Ensemble des entités (atomes ou ions) qui ont le même numéro atomique Z. C’est Z, et lui seul, qui fait l’identité d’un noyau : tous les noyaux à 26 protons sont des noyaux de fer. L’atome Zn et l’ion Zn²⁺ relèvent du même élément, le zinc.
De l’écriture à la composition. : Z = 25, donc 25 protons ; N = 55 − 25 = 30 neutrons. L’atome de manganèse, neutre, a 25 électrons.
De la composition à l’écriture. Un noyau contient 27 protons et 32 neutrons. Z = 27 : le tableau périodique indique le cobalt, Co. A = 27 + 32 = 59. D’où .
Écriture sans Z. Pour , le tableau périodique donne Z = 78 pour le platine : 78 protons et 195 − 78 = 117 neutrons.
Réflexe — Z en bas = protons = élément ; A en haut = nucléons ; je calcule N = A − Z. Dans l’autre sens : Z = nombre de protons, A = protons + neutrons, et le symbole se lit dans le tableau à partir de Z.
Attention — A n’est pas le nombre de neutrons : il compte tous les nucléons. Et deux noyaux de même Z mais de A différents restent du même élément : ce sont des isotopes, étudiés dans Transformations nucléaires.
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Charges électriques : noyau, atome neutre et ion
Charge élémentaire. C (coulomb) : c’est la plus petite charge électrique que l’on puisse isoler. Le proton porte la charge , l’électron la charge , le neutron n’est pas chargé (tableau).
| Particule | Charge électrique | Masse |
|---|---|---|
| proton | C | kg |
| neutron | 0 | kg |
| électron | C | kg |
Charge du noyau. Seuls les protons sont chargés : Q = Z × e. Inversement, Z = Q ÷ e permet d’identifier l’élément à partir de la charge du noyau.
Neutralité de l’atome. Un atome possède autant d’électrons que de protons, soit : espèce chimique et entités (atome, molécule, cation, anion) ; électroneutralité et formule d’un composé ionique ; noyau, nucléons, numéro atomique, nombre de masse, écriture conventionnelle ; élément chimique ; masse et charge du proton, du neutron et de l’électron, charge élémentaire, neutralité de l’atome ; masse d’un atome et masse de son noyau ; ordres de grandeur des tailles de l’atome et du noyau, matière lacunaire. Le cortège porte la charge , qui compense exactement celle du noyau : la charge de l’atome est nulle.
Charge d’un ion. Charge = (nombre de protons − nombre d’électrons) × e. Un cation de charge a Z − k électrons ; un anion de charge en a Z + k. Le noyau ne change pas.
Identifier un élément. Un noyau porte la charge C. , soit , donc : 37 protons, c’est le rubidium.
Un ion. L’ion Se²⁻ provient d’un atome de sélénium (Z = 34) qui a gagné 2 électrons : il en a 34 + 2 = 36. Sa charge vaut , soit C.
Réflexe — charge du noyau : Z × e ; électrons : Z pour l’atome, Z − k pour un cation, Z + k pour un anion ; charge d’une entité : (protons − électrons) × e, en coulombs.
Attention — le noyau d’un atome n’est pas neutre : c’est l’atome entier qui l’est. Et Q = Z × e, pas A × e : les neutrons ne portent aucune charge.
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La masse de l’atome est concentrée dans son noyau
Masses des constituants (tableau de la partie précédente). Le proton et le neutron ont presque la même masse ; on prend souvent pour un nucléon kg. Un nucléon est environ 1 836 fois plus lourd qu’un électron.
Masse du noyau : . Masse des électrons d’un atome : .
Le noyau, siège de la masse. La masse des électrons représente moins de 0,1 % de celle de l’atome : on la néglige, et . Un ion a donc pratiquement la même masse que l’atome dont il provient.
Comparer deux grandeurs. On calcule leur quotient, en écriture scientifique : .
L’atome de césium . Noyau : , soit environ kg. Électrons : , soit environ kg. Quotient : , environ , soit 0,023 % : les électrons ne comptent presque pas, l’atome a la masse de son noyau, environ kg.
Réflexe — masse d’un atome ou d’un ion : je multiplie A (et non Z) par kg ; pour comparer, je divise la plus petite masse par la plus grande et je l’exprime en pourcentage.
Attention — les électrons ont une masse, très petite mais non nulle : un ion qui a perdu un électron est plus léger de kg, une différence négligeable. Et la masse se calcule avec A, car les neutrons pèsent autant que les protons.
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Tailles et ordres de grandeur : une matière lacunaire
Ordre de grandeur. On écrit la valeur en écriture scientifique avec . Son ordre de grandeur est la puissance de 10 la plus proche : si , si . (Certains manuels comparent à 3,16 au lieu de 5 : les deux règles ne diffèrent que pour entre 3,16 et 5.)
Tailles à connaître. Le rayon d’un atome est de l’ordre de m (0,1 nm) ; celui d’un noyau de l’ordre de m (de à m selon le noyau). L’atome est donc à fois plus grand que son noyau.
Matière lacunaire. Le noyau, minuscule, contient presque toute la masse ; les électrons, très légers, occupent le reste de l’atome. L’atome, et donc la matière, est fait surtout de vide : on dit que la matière est lacunaire. C’est ce qu’a montré l’expérience de la feuille d’or (Rutherford, 1909-1911), vue en 3e.
Changer d’échelle. Dans une maquette, toutes les longueurs sont multipliées par le même nombre : si le noyau est agrandi, le rayon de l’atome l’est dans le même rapport. Pour des sphères, le rapport des volumes est le cube du rapport des rayons.
Sur cette échelle, chaque graduation multiplie la longueur par 10 : environ cinq graduations séparent les noyaux des atomes.
L’atome d’hydrogène. Son rayon vaut environ m (ordre de grandeur m, car 5,3 ≥ 5) ; son noyau, un seul proton, a un rayon d’environ m (ordre de grandeur m). Rapport : , environ . Si le proton était une balle de ping-pong de 2,0 cm de rayon, l’atome aurait un rayon de cm, soit environ 1,3 km.
Réflexe — pour comparer deux tailles, je divise la plus grande par la plus petite, en écriture scientifique et dans la même unité ; pour une maquette, je multiplie par ce rapport ; pour des volumes, j’élève le rapport des rayons au cube.
Attention — ne pas confondre m (atome) et m (noyau) : est cent mille fois plus petit, pas cinq fois. Et c’est le cortège électronique qui fixe la taille de l’atome, alors que c’est le noyau qui porte sa masse.
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Pour aller plus loin
Revoir. Le noyau, les électrons et la neutralité (3e) : Atome : noyau, électrons et neutralité ; les tailles de l’atome et du noyau (4e) : Univers : galaxies, système solaire et éléments chimiques.
Dans les autres chapitres de seconde. Corps purs, mélanges et identification des espèces : Espèces chimiques : corps purs et mélanges. Les isotopes et les réactions qui modifient les noyaux : Transformations nucléaires. La répartition des électrons en couches et la place de l’élément dans le tableau : Le cortège électronique et le tableau périodique. Prévoir la charge d’un ion monoatomique, nommer les ions et écrire un schéma de Lewis : Stabilité des entités : ions et molécules. Compter les atomes d’un échantillon à partir de sa masse, puis la mole : Dénombrer les entités : la mole.
Se verra en 1re. La masse molaire d’un élément, qui tient compte de ses isotopes naturels (35,5 g/mol pour le chlore) : Quantité de matière et concentrations.
- Une espèce chimique est une collection d’entités identiques : atomes (neutres, un symbole), molécules (neutres, plusieurs atomes liés) ou ions (chargés) ; un cation a perdu des électrons, un anion en a gagné. Un composé ionique est électriquement neutre.
- Un noyau contient Z protons et N = A − Z neutrons ; A est le nombre de nucléons. Le numéro atomique Z définit l’élément chimique.
- Charge élémentaire C ; charge du noyau Q = Z × e ; un atome a Z électrons et il est neutre ; un ion de charge a Z ∓ k électrons.
- kg, environ 1 836 fois la masse d’un électron : , la masse est dans le noyau.
- Rayon d’un atome : environ m ; rayon d’un noyau : environ m ; rapport à : la matière est lacunaire.
Questions fréquentes
Comment savoir si une entité est un atome, une molécule ou un ion ?
On lit sa formule. Un seul symbole sans charge (Ne, Zn) est un atome ; plusieurs atomes liés sans charge (O₃, CH₄) forment une molécule ; une charge écrite en haut à droite indique un ion : positive pour un cation (Zn²⁺), négative pour un anion (F⁻). Un ion peut contenir un atome (Cl⁻) ou plusieurs (SO₄²⁻).
Que signifient A et Z dans l’écriture d’un noyau ?
Dans l’écriture conventionnelle, Z, écrit en bas, est le numéro atomique : le nombre de protons, qui définit l’élément chimique. A, écrit en haut, est le nombre de masse : le nombre de nucléons (protons et neutrons). Le nombre de neutrons vaut N = A − Z.
Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?
Son noyau porte la charge Q = Z × e (ses Z protons ; les neutrons ne sont pas chargés) et il possède autant d’électrons que de protons, qui portent ensemble la charge −Z × e. La charge totale est nulle. Un ion, lui, a perdu ou gagné des électrons : son noyau est le même, sa charge n’est plus nulle.
Pourquoi dit-on que la masse d’un atome est concentrée dans son noyau ?
Un proton ou un neutron est environ 1 836 fois plus lourd qu’un électron. Les électrons représentent donc moins de 0,1 % de la masse de l’atome : on écrit m(atome) ≈ m(noyau) ≈ A × m(nucléon), avec m(nucléon) ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg.
Que veut dire « la matière est lacunaire » ?
Un atome a un rayon de l’ordre de 10⁻¹⁰ m, son noyau de l’ordre de 10⁻¹⁵ m : l’atome est 10⁴ à 10⁵ fois plus grand que son noyau. Presque toute sa masse est dans ce noyau minuscule ; autour, il n’y a que des électrons très légers. La matière est donc faite surtout de vide.
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