Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie
Constitution de la matière : modèle de l'atome
Structure de l'atome, cortège électronique et configuration électronique (programme de 1re Spécialité PC)
À propos de cette page
Constituants de l'atome
L'atome est la plus petite entité représentative d'un élément chimique. Il est constitué de deux parties distinctes :
- un noyau, très petit et très dense, situé au centre ;
- un cortège électronique (ou nuage électronique), qui entoure le noyau.
- les protons, de charge électrique $+e$ (avec $e = 1{,}6 \times 10^{-19}$ C) ;
- les neutrons, électriquement neutres.
Le cortège électronique est constitué d'électrons, de charge $-e$ chacun, qui gravitent autour du noyau.
| Particule | Symbole | Charge | Masse (kg) | Localisation |
|---|---|---|---|---|
| Proton | p | $+e = +1{,}6 \times 10^{-19}$ C | $1{,}673 \times 10^{-27}$ kg | Noyau |
| Neutron | n | 0 | $1{,}675 \times 10^{-27}$ kg | Noyau |
| Électron | e⁻ | $-e = -1{,}6 \times 10^{-19}$ C | $9{,}109 \times 10^{-31}$ kg | Cortège |
Caractéristiques du noyau : numéro atomique Z et nombre de masse A
On note un atome par son symbole de nuclide :
$^A_Z\mathrm{X}$
où $X$ est le symbole chimique de l'élément, $A$ le nombre de masse en haut à gauche, et $Z$ le numéro atomique en bas à gauche.
→ $Z = 6$ protons, $A = 14$ nucléons, $N = A - Z = 14 - 6 = 8$ neutrons.
Isotopes et abondance naturelle
Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (même cortège électronique), mais des propriétés physiques différentes (masse différente).
• $^{35}_{17}\mathrm{Cl}$ : $Z = 17$, $N = 18$ neutrons. Abondance naturelle : 75,77 %.
• $^{37}_{17}\mathrm{Cl}$ : $Z = 17$, $N = 20$ neutrons. Abondance naturelle : 24,23 %.
$$M(\mathrm{Cl}) = 0{,}7577 \times 35 + 0{,}2423 \times 37 \approx 35{,}5 \text{ g/mol}$$
Certains isotopes sont dits radioactifs (noyau instable qui se désintègre spontanément) ; d'autres sont stables. Le carbone 14 ($^{14}_6\mathrm{C}$) est un isotope radioactif utilisé en datation archéologique.
Structure électronique : couches et sous-couches
Les électrons ne gravitent pas n'importe où autour du noyau : ils occupent des niveaux d'énergie organisés en couches et sous-couches.
- Couche $n=1$ : sous-couche 1s
- Couche $n=2$ : sous-couches 2s, 2p
- Couche $n=3$ : sous-couches 3s, 3p, 3d
- Couche $n=4$ : sous-couches 4s, 4p, 4d, 4f
| Sous-couche | Nb d'orbitales | Nb max d'électrons |
|---|---|---|
| s | 1 | 2 |
| p | 3 | 6 |
| d | 5 | 10 |
| f | 7 | 14 |
Configuration électronique : règles de remplissage
La configuration électronique d'un atome décrit la répartition de ses électrons dans les sous-couches. On suit trois règles :
$$1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, \ldots$$
On retient cet ordre grâce au diagramme de Klechkowski : on suit les diagonales dans le sens ↗.
• Hydrogène ($Z=1$) : $1s^1$
• Carbone ($Z=6$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^2$
• Sodium ($Z=11$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^1$
• Chlore ($Z=17$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^5$
• Calcium ($Z=20$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^2$
• Chrome ($Z=24$) : $[\mathrm{Ar}]\ 3d^5\ 4s^1$ (et non $3d^4\ 4s^2$) → demi-couche $d$ remplie stabilisée.
• Cuivre ($Z=29$) : $[\mathrm{Ar}]\ 3d^{10}\ 4s^1$ (et non $3d^9\ 4s^2$) → couche $d$ pleine stabilisée.
Ces exceptions sont dues à une plus grande stabilité des sous-couches $d$ à demi-remplies ou pleines.
La notation condensée utilise le symbole du gaz noble précédent entre crochets :
Les électrons de valence sont les électrons de la couche externe (la plus haute valeur de $n$) plus les électrons des sous-couches $d$ incomplètes. Ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome.
Ions : formation et charge
Un ion est formé à partir d'un atome neutre qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
$$\mathrm{Na} \rightarrow \mathrm{Na^+} + e^-$$
Na ($Z=11$) : $[\mathrm{Ne}]\ 3s^1 \rightarrow$ Na$^+$ : $[\mathrm{Ne}]$ (config. du gaz noble précédent)
$$\mathrm{Cl} + e^- \rightarrow \mathrm{Cl^-}$$
Cl ($Z=17$) : $[\mathrm{Ne}]\ 3s^2\ 3p^5 \rightarrow$ Cl$^-$ : $[\mathrm{Ne}]\ 3s^2\ 3p^6 = [\mathrm{Ar}]$
Les ions tendent à atteindre la configuration électronique du gaz noble le plus proche : c'est la règle de l'octet (ou du duet pour H et He).
• Na$^+$ : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$ — identique à Ne
• Mg$^{2+}$ : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$ — identique à Ne
• Al$^{3+}$ : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$ — identique à Ne
• Cl$^-$ : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6$ — identique à Ar
• O$^{2-}$ : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$ — identique à Ne
Taille et masse de l'atome — ordres de grandeur
L'atome est extrêmement petit. Il est important de connaître les ordres de grandeur :
| Grandeur | Ordre de grandeur |
|---|---|
| Rayon de l'atome | $\sim 10^{-10}$ m = 1 Å (ångström) |
| Rayon du noyau | $\sim 10^{-15}$ m = 1 fm (femtomètre) |
| Masse du proton/neutron | $\sim 1{,}67 \times 10^{-27}$ kg |
| Masse de l'électron | $\sim 9{,}1 \times 10^{-31}$ kg |
$$1\ \mathrm{u} = 1{,}66054 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}$$
La masse d'un proton ou d'un neutron est $\approx 1$ u. La masse d'un atome vaut approximativement $A$ u (où $A$ est son nombre de masse).
- L'atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) et d'un cortège d'électrons.
- On note le nuclide $^A_Z\mathrm{X}$ : $Z$ = nombre de protons, $A$ = nombre de nucléons, $N = A - Z$ = nombre de neutrons.
- Les isotopes : même $Z$, $A$ différents (propriétés chimiques identiques, masses différentes).
- Ordre de remplissage : $1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, \ldots$ (règle de Klechkowski).
- Un cation a perdu des électrons (charge +) ; un anion en a gagné (charge −).
- Rayon atomique $\sim 10^{-10}$ m ; rayon du noyau $\sim 10^{-15}$ m (l'atome est essentiellement du vide).
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