Lycée · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)
Constitution de la matière : des atomes aux molécules
Structure atomique, modèle de Bohr, ions, molécules et formules chimiques — programme officiel de Physique-Chimie de Seconde (lycée général)
À propos de cette page
L'atome et ses constituants
La matière qui nous entoure est constituée d'entités très petites appelées atomes. Un atome est la plus petite entité chimique caractéristique d'un élément.
- d'un noyau central, très petit et dense, chargé positivement ;
- d'un nuage d'électrons qui gravitent autour du noyau, chargés négativement.
Un atome est électriquement neutre : la charge positive du noyau est exactement compensée par la charge négative des électrons.
Le rayon d'un atome est de l'ordre de $10^{-10}$ m (soit 0,1 nm = 1 Å). Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome, avec un rayon de l'ordre de $10^{-15}$ m.
Le noyau atomique : protons, neutrons et nucléons
Le noyau est constitué de deux types de particules appelées nucléons :
| Particule | Charge | Masse (kg) | Localisation |
|---|---|---|---|
| Proton (p) | $+e = +1{,}6 \times 10^{-19}$ C | $1{,}67 \times 10^{-27}$ kg | Noyau |
| Neutron (n) | 0 (neutre) | $1{,}67 \times 10^{-27}$ kg | Noyau |
| Électron (e⁻) | $-e = -1{,}6 \times 10^{-19}$ C | $9{,}1 \times 10^{-31}$ kg | Autour du noyau |
- $X$ = symbole chimique de l'élément ;
- $Z$ = numéro atomique = nombre de protons (et d'électrons pour un atome neutre) ;
- $A$ = nombre de masse = nombre de nucléons = $Z + N$ (N = nombre de neutrons).
Les électrons et la structure électronique
Les électrons sont des particules de charge $-e = -1{,}6 \times 10^{-19}$ C et de masse très faible ($m_e \approx 9{,}1 \times 10^{-31}$ kg). Ils constituent le cortège électronique de l'atome.
Pour un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au numéro atomique $Z$ (nombre de protons).
- Couche K ($n=1$) : 2 électrons maximum
- Couche L ($n=2$) : 8 électrons maximum
- Couche M ($n=3$) : 8 électrons maximum (en lycée, règle simplifiée)
Les électrons remplissent les couches de l'intérieur vers l'extérieur (de la couche K vers la couche M).
Le modèle de Bohr et les couches électroniques
Le modèle de Bohr (1913) représente l'atome comme un noyau central autour duquel les électrons tournent sur des orbites circulaires de rayon fixe, appelées couches.
| Élément | $Z$ | Configuration | Électrons de valence |
|---|---|---|---|
| Hydrogène H | 1 | 1 | 1 |
| Carbone C | 6 | 2, 4 | 4 |
| Oxygène O | 8 | 2, 6 | 6 |
| Sodium Na | 11 | 2, 8, 1 | 1 |
| Chlore Cl | 17 | 2, 8, 7 | 7 |
| Argon Ar | 18 | 2, 8, 8 | 8 |
Les ions : atomes qui ont perdu ou gagné des électrons
Un atome peut gagner ou perdre des électrons : il devient alors un ion.
- Un cation est un ion positif : l'atome a perdu des électrons ($\text{nombre e}^- < Z$).
- Un anion est un ion négatif : l'atome a gagné des électrons ($\text{nombre e}^- > Z$).
La charge totale d'un ion est : $q = (Z - n_e) \times e$ où $n_e$ est le nombre d'électrons de l'ion.
Les molécules et les liaisons covalentes
Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'au moins deux atomes, liés entre eux par des liaisons covalentes.
Les atomes forment des liaisons pour compléter leur couche externe (règle de l'octet).
| Atome | Électrons de valence | Liaisons à former | Exemples de molécules |
|---|---|---|---|
| H | 1 | 1 | H₂, H₂O, CH₄ |
| O | 6 | 2 | H₂O, CO₂, O₂ |
| N | 5 | 3 | NH₃, N₂ |
| C | 4 | 4 | CH₄, CO₂, C₂H₅OH |
| Cl | 7 | 1 | HCl, Cl₂, CH₃Cl |
Les formules chimiques et le tableau périodique
Une formule chimique indique la nature et le nombre d'atomes présents dans une molécule ou une entité chimique.
- Formule brute : indique le nombre d'atomes de chaque élément. Ex : $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$.
- Formule développée : représente toutes les liaisons. Ex : H—O—H pour l'eau.
- Formule semi-développée : regroupe les hydrogènes liés à chaque carbone. Ex : $\text{CH}_3\text{—CH}_3$ pour l'éthane.
Dans le tableau périodique (classification de Mendeleïev), les éléments sont classés par numéro atomique $Z$ croissant et regroupés selon leurs propriétés chimiques :
- Les colonnes (groupes) rassemblent les éléments ayant le même nombre d'électrons de valence → propriétés chimiques similaires.
- Les lignes (périodes) correspondent au remplissage d'une couche électronique.
Ordres de grandeur et échelles de la matière
La matière est organisée à différentes échelles, de l'infiniment petit à l'échelle macroscopique. Maîtriser les ordres de grandeur est essentiel en physique-chimie.
| Échelle | Entité | Taille typique |
|---|---|---|
| Macroscopique | Grain de sable, goutte d'eau | $10^{-3}$ m (mm) |
| Microscopique | Cellule, bactérie | $10^{-6}$ à $10^{-5}$ m (µm) |
| Nanométrique | Molécule, protéine | $10^{-9}$ à $10^{-7}$ m (nm) |
| Atomique | Atome | $10^{-10}$ m (0,1 nm) |
| Subatomique | Noyau, proton | $10^{-15}$ à $10^{-14}$ m (fm) |
La très grande majorité de la masse d'un atome est concentrée dans le noyau ($m_{ ext{noyau}} \approx m_{ ext{atome}}$), car la masse des électrons est négligeable ($m_e \approx 2000$ fois plus légère que celle du proton ou du neutron).
- Un atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) et d'un nuage d'électrons.
- $Z$ = nombre de protons = nombre d'électrons (atome neutre) ; $A$ = nombre de nucléons = $Z + N$.
- Les électrons se répartissent sur des couches K (max 2), L (max 8), M (max 8).
- Un ion est formé lorsqu'un atome perd (cation +) ou gagne (anion −) des électrons.
- Les atomes cherchent à avoir 8 électrons en couche externe (règle de l'octet).
- Une molécule est un assemblage neutre d'atomes liés par des liaisons covalentes (partage de 2 e⁻).
- Rayon de l'atome ≈ $10^{-10}$ m ; rayon du noyau ≈ $10^{-15}$ m.
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