Qu'est-ce qu'un atome ?

Un atome est la plus petite entité chimique d'un élément. Il est constitué d'un noyau chargé positivement entouré d'électrons chargés négativement.

Quelle est la différence entre le numéro atomique et le nombre de masse ?

Le numéro atomique Z est le nombre de protons dans le noyau. Le nombre de masse A est la somme des protons et des neutrons (A = Z + N).

Comment déterminer la configuration électronique d'un atome ?

On remplit les couches K (max 2 électrons), L (max 8), M (max 8) dans l'ordre, en utilisant le nombre d'électrons qui est égal au nombre de protons Z pour un atome neutre.

Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Car il contient autant de protons (charges positives) que d'électrons (charges négatives), donc les charges se compensent.

Collège · 3ᵉ · Chimie

Structure de l'atome

Noyau, protons, neutrons, électrons et configuration électronique

À propos de cette page

Ce cours de chimie en troisième sur « Structure de l'atome » suit le programme officiel de chimie de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Une idée ancienne, un modèle récent, Noyau et électrons : de quoi est fait un atome, Neutralité électrique et numéro atomique, Ordres de grandeur : un atome, c'est surtout du vide. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de troisième à réussir en chimie.

Une idée ancienne, un modèle récent

Toute la matière — l'air, l'eau, le fer, ton corps — est faite d'atomes. Il en existe une centaine de sortes, appelées éléments chimiques, chacun désigné par un symbole (H, C, O, Fe, Cu…).

Ce qu'a montré Rutherford (1909-1911). En bombardant une feuille d'or très mince avec des particules chargées positivement, il constate que presque toutes traversent sans dévier, et qu'une sur plusieurs milliers rebondit. Conclusion : la masse et la charge positive de l'atome sont concentrées dans un noyau minuscule ; le reste est vide, parcouru par les électrons.

Un modèle, pas une photo. Le dessin « noyau + électrons qui tournent » est une représentation commode. Elle explique la neutralité, les ions, la classification périodique ; elle suffit au collège.

Noyau et électrons : de quoi est fait un atome

Structure. Un atome est constitué d'un noyau central, formé de protons (charge positive) et de neutrons (sans charge), autour duquel se déplacent des électrons (charge négative). Protons et neutrons sont appelés nucléons.

Particule	Où ?	Charge	Masse
proton	noyau	+e = +1,6 × 10⁻¹⁹ C	1,67 × 10⁻²⁷ kg
neutron	noyau	0	1,67 × 10⁻²⁷ kg
électron	autour du noyau	−e = −1,6 × 10⁻¹⁹ C	9,1 × 10⁻³¹ kg

Exemple. L'atome de carbone le plus courant a 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons. L'atome de fer le plus courant : 26 protons, 30 neutrons, 26 électrons.

Où est la masse ? Un électron est 1 836 fois plus léger qu'un proton. La masse de l'atome est donc pratiquement celle de son noyau : masse ≈ (nombre de nucléons) × 1,67 × 10⁻²⁷ kg.

Neutralité électrique et numéro atomique

Numéro atomique Z. C'est le nombre de protons du noyau. Il définit l'élément : tout atome à 8 protons est de l'oxygène, tout atome à 29 protons est du cuivre. Nombre de masse A : nombre de nucléons (protons + neutrons). Nombre de neutrons : N = A − Z.

Neutralité. Un atome est électriquement neutre : il contient autant d'électrons (−) que de protons (+). Charge du noyau : +Z·e ; charge des électrons : −Z·e ; total : 0.

On résume un atome par la notation ^A_ZX : le nombre de masse en haut, le numéro atomique en bas.

Atome	Z (protons)	A (nucléons)	N = A − Z	Électrons
¹₁H hydrogène	1	1	0	1
¹²₆C carbone	6	12	6	6
²³₁₁Na sodium	11	23	12	11
³⁵₁₇Cl chlore	17	35	18	17
⁵⁶₂₆Fe fer	26	56	30	26

Calculer une charge. Le noyau du cuivre (Z = 29) porte la charge 29 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 4,6 × 10⁻¹⁸ C. Ses 29 électrons portent −4,6 × 10⁻¹⁸ C : l'atome est neutre.

Piège. Le nombre de neutrons n'est pas forcément égal au nombre de protons : c'est vrai pour le carbone 12, faux pour le sodium (12 neutrons pour 11 protons) ou le fer (30 pour 26).

Ordres de grandeur : un atome, c'est surtout du vide

Objet	Taille (diamètre)	Écriture scientifique
atome	0,1 à 0,3 nm	≈ 10⁻¹⁰ m
noyau	1 à 10 fm (femtomètres)	≈ 10⁻¹⁵ m
cheveu	0,1 mm	10⁻⁴ m

Le rapport. $\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5}$ : le noyau est cent mille fois plus petit que l'atome. Si le noyau était une bille de 1 cm au centre d'un stade, l'atome aurait 1 km de diamètre, et les électrons seraient des grains de poussière quelque part dans les tribunes.

Application. Un cheveu de 0,1 mm d'épaisseur = 10⁻⁴ m ; un atome = 10⁻¹⁰ m ; il faut donc $10^{-4} \div 10^{-10} = 10^{6}$, un million d'atomes côte à côte pour faire l'épaisseur d'un cheveu.

Conséquences. La matière est essentiellement vide : c'est pour cela que les particules de Rutherford traversaient l'or. La masse, elle, est concentrée dans un volume infime : le noyau est extraordinairement dense (une cuillère à café de matière nucléaire pèserait des milliards de tonnes).

Écriture scientifique. Pour comparer des tailles, on écrit tout en puissances de 10 et on divise : « combien de fois plus petit » = grande taille ÷ petite taille.

Les isotopes

Isotopes. Atomes d'un même élément (même Z, donc mêmes propriétés chimiques) qui diffèrent par leur nombre de neutrons N, donc par leur nombre de masse A.

Élément	Isotopes	Neutrons	Remarque
hydrogène (Z = 1)	¹H, ²H (deutérium), ³H (tritium)	0, 1, 2	l'eau lourde D₂O est 11 % plus lourde que l'eau
carbone (Z = 6)	¹²C (99 %), ¹³C (1 %), ¹⁴C (traces)	6, 7, 8	¹⁴C radioactif : datation
chlore (Z = 17)	³⁵Cl (76 %), ³⁷Cl (24 %)	18, 20	d'où la masse « 35,5 » du chlore
uranium (Z = 92)	²³⁵U (0,7 %), ²³⁸U (99,3 %)	143, 146	seul ²³⁵U alimente les centrales

Datation au carbone 14. Les êtres vivants contiennent une proportion fixe de ¹⁴C. À leur mort, elle diminue de moitié tous les 5 730 ans. Un bois qui ne contient plus que le quart de la proportion initiale a environ 2 × 5 730 ≈ 11 500 ans.

Ne pas confondre. Isotopes = même élément, noyaux différents. Ion = même noyau, nombre d'électrons différent. Le ¹⁴C et le ¹²C réagissent chimiquement de la même façon.

Les ions monoatomiques

Ion. Atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ; il n'est plus neutre. Cation : a perdu des électrons, charge positive (Na⁺, Cu²⁺, Al³⁺). Anion : a gagné des électrons, charge négative (Cl⁻, O²⁻).

Le noyau ne change jamais. Former un ion, c'est toucher aux électrons, pas aux protons. Na⁺ a toujours 11 protons : c'est toujours du sodium. Nombre d'électrons d'un ion = Z − charge : Fe³⁺ (Z = 26) a 26 − 3 = 23 électrons ; S²⁻ (Z = 16) a 16 + 2 = 18 électrons.

Ion	Z	Électrons	Où le trouve-t-on ?
Na⁺	11	10	sel de cuisine, eau de mer
Cl⁻	17	18	sel, acide chlorhydrique
Ca²⁺	20	18	eau du robinet, calcaire, os
Cu²⁺	29	27	solutions bleues de sulfate de cuivre
Fe²⁺ / Fe³⁺	26	24 / 23	rouille, sang

Les règles qui expliquent pourquoi le sodium perd un électron et le chlore en gagne un sont vues dans le chapitre « Ions et molécules ».

Les électrons en couches : un modèle simplifié

Dans le modèle de Bohr, les électrons se répartissent sur des couches autour du noyau, de la plus proche à la plus lointaine : K (2 électrons au plus), L (8 au plus), M (8 au plus pour les 18 premiers éléments). On remplit K, puis L, puis M.

Atome	Z	Répartition	Couche externe
hélium He	2	K(2)	pleine
carbone C	6	K(2) L(4)	4 électrons
néon Ne	10	K(2) L(8)	pleine
sodium Na	11	K(2) L(8) M(1)	1 électron
chlore Cl	17	K(2) L(8) M(7)	7 électrons
argon Ar	18	K(2) L(8) M(8)	pleine

À quoi ça sert ? Les électrons de la couche externe (dite de valence) gouvernent la chimie de l'atome : ce sont eux qui sont perdus, gagnés ou partagés. Le sodium avec son électron isolé et le chlore auquel il en manque un forment le sel Na⁺Cl⁻ ; le néon et l'argon, couches pleines, ne réagissent pas. Ce modèle explique aussi les colonnes de la classification périodique, chapitre suivant.

En bref

Atome = noyau (protons +, neutrons 0) + électrons (−) autour. Nucléons = protons + neutrons.
Z = nombre de protons = identité de l'élément ; A = nucléons ; N = A − Z. Notation ^A_ZX.
Atome neutre : électrons = protons. Ion : électrons = Z − charge (Cu²⁺ : 27 électrons).
Masse ≈ celle du noyau (électron 1 836 fois plus léger) ≈ A × 1,67 × 10⁻²⁷ kg.
Atome ≈ 10⁻¹⁰ m, noyau ≈ 10⁻¹⁵ m : 100 000 fois plus petit, l'atome est surtout du vide (Rutherford, 1911).
Isotopes : même Z, N différent (¹²C, ¹⁴C). Couches K(2) L(8) M(8) : la couche externe fait la chimie.

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