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 : L'atome : une entité infiniment petite, Le noyau : protons et neutrons, Le numéro atomique Z et le nombre de masse A, Les électrons et leur organisation en couches. 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.
Au programme
1 · L'atome : une entité infiniment petite
2 · Le noyau : protons et neutrons
3 · Le numéro atomique Z et le nombre de masse A
4 · Les électrons et leur organisation en couches
5 · La configuration électronique
6 · Les isotopes
7 · Les ions : atomes chargés
1L'atome : une entité infiniment petite
Toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes. Un atome est une particule extrêmement petite : son rayon est de l'ordre de 10−10 m (soit 0,1 nm). Pour donner une idée, il faudrait aligner environ 1 million d'atomes pour couvrir l'épaisseur d'un cheveu.
Définition. Un atome est la plus petite entité chimique caractéristique d'un élément. Il est constitué d'un noyau central entouré d'électrons.
Le modèle planétaire de l'atome, proposé par Rutherford puis amélioré par Bohr, décrit un noyau central très dense entouré d'électrons qui se déplacent sur des trajectoires circulaires appelées couches électroniques.
Astuce. Retiens l'ordre de grandeur : rayon du noyau ≈ 10−15 m, rayon de l'atome ≈ 10−10 m. Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome entier !
2Le noyau : protons et neutrons
Le noyau de l'atome est constitué de deux types de particules appelées nucléons :
- Les protons : particules chargées positivement (charge +e, avec e = 1,6 × 10−19 C).
- Les neutrons : particules sans charge électrique (neutres).
Règle. Le noyau est chargé positivement, car il contient des protons. La charge totale du noyau vaut : Qnoyau = Z × e, où Z est le nombre de protons.
| Particule | Localisation | Charge | Masse (kg) |
|---|
| 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 | 9,11 × 10−31 kg |
Attention ! La masse d'un électron est environ 1 800 fois plus petite que celle d'un proton ou d'un neutron. La quasi-totalité de la masse de l'atome est donc concentrée dans le noyau.
3Le numéro atomique Z et le nombre de masse A
Deux grandeurs permettent de caractériser entièrement le noyau d'un atome :
Définition.
• Le numéro atomique Z (ou nombre de charge) = nombre de protons dans le noyau.
• Le nombre de masse A = nombre total de nucléons = nombre de protons + nombre de neutrons.
• On en déduit : N = A − Z, où N est le nombre de neutrons.
La notation symbolique d'un atome est :
Exemple. AZX où X est le symbole chimique.
• Pour le carbone : 126C → Z = 6 (6 protons), A = 12 (12 nucléons), N = 12 − 6 = 6 neutrons.
• Pour l'oxygène : 168O → Z = 8, A = 16, N = 8.
• Pour le sodium : 2311Na → Z = 11, A = 23, N = 12.
Astuce. Z est toujours écrit en bas à gauche, A en haut à gauche du symbole. Facile à retenir : Z est petit, il est « en bas ».
4Les électrons et leur organisation en couches
Les électrons sont des particules chargées négativement qui gravitent autour du noyau. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons Z.
Les électrons ne se répartissent pas au hasard : ils occupent des couches électroniques (ou niveaux d'énergie), notées K, L, M, de la plus proche à la plus éloignée du noyau.
Règle. Nombre maximum d'électrons par couche :
• Couche K (1re couche) : 2 électrons maximum
• Couche L (2e couche) : 8 électrons maximum
• Couche M (3e couche) : 8 électrons maximum (au niveau 3e)
Les couches se remplissent dans l'ordre K, L, M, et chaque couche doit être remplie avant de passer à la suivante.
Attention ! En 3e, on ne considère que les 3 premières couches (K, L, M). La couche M peut en réalité contenir plus de 8 électrons, mais pour les éléments étudiés au collège (Z ≤ 18), 8 suffisent.
5La configuration électronique
La configuration électronique d'un atome décrit la répartition de ses électrons sur les différentes couches.
Méthode. Pour écrire la configuration électronique d'un atome de numéro atomique Z :
1. Le nombre total d'électrons est Z (atome neutre).
2. On remplit la couche K d'abord (max 2).
3. Puis la couche L (max 8).
4. Puis la couche M (max 8).
On note : K(nK)L(nL)M(nM).
Exemples.
• Hydrogène H (Z=1) : K(1)
• Hélium He (Z=2) : K(2) — couche K complète
• Lithium Li (Z=3) : K(2)L(1)
• Oxygène O (Z=8) : K(2)L(6)
• Néon Ne (Z=10) : K(2)L(8) — couche L complète
• Sodium Na (Z=11) : K(2)L(8)M(1)
• Chlore Cl (Z=17) : K(2)L(8)M(7)
• Argon Ar (Z=18) : K(2)L(8)M(8) — couche M complète
Les électrons de la couche externe (la dernière occupée) sont appelés électrons de valence. Ils jouent un rôle essentiel dans les réactions chimiques et la formation des ions.
Astuce. Les gaz nobles (He, Ne, Ar) ont leur couche externe complète. C'est cette stabilité particulière qui explique qu'ils ne réagissent presque jamais chimiquement.
6Les isotopes
Des atomes d'un même élément chimique peuvent avoir des noyaux différents : ils ont le même nombre de protons Z (même élément) mais des nombres de neutrons N différents. Ces atomes sont appelés isotopes.
Définition. Les isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents. Ils correspondent donc au même élément chimique mais avec un nombre de neutrons différent.
Exemples d'isotopes naturels.
• Le carbone existe sous forme de 12C (Z=6, N=6) et 14C (Z=6, N=8). Le 14C est radioactif et permet de dater les objets archéologiques (datation au carbone 14).
• L'hydrogène possède trois isotopes : le protium 1H (Z=1, N=0), le deutérium 2H (Z=1, N=1) et le tritium 3H (Z=1, N=2).
• Le chlore naturel est un mélange de 35Cl (75 %) et 37Cl (25 %).
Les isotopes d'un même élément ont des propriétés chimiques identiques (même nombre d'électrons), mais des propriétés physiques légèrement différentes (masse différente).
7Les ions : atomes chargés
Un ion est un atome (ou groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Il possède alors une charge électrique non nulle.
Définition.
• Un cation est un ion positif : l'atome a perdu des électrons (moins d'électrons que de protons).
• Un anion est un ion négatif : l'atome a gagné des électrons (plus d'électrons que de protons).
Exemples.
• Le sodium Na (Z=11) perd 1 électron → ion sodium Na+ (11 protons, 10 électrons). Configuration : K(2)L(8) — identique au néon !
• Le chlore Cl (Z=17) gagne 1 électron → ion chlorure Cl− (17 protons, 18 électrons). Configuration : K(2)L(8)M(8) — identique à l'argon !
• Le magnésium Mg (Z=12) perd 2 électrons → ion magnésium Mg2+.
On observe que les ions stables ont tendance à adopter la configuration électronique du gaz noble le plus proche (règle de l'octet / duet pour la couche K).
Attention ! La charge de l'ion est indiquée en exposant à droite du symbole. Ne pas confondre Na+ (ion sodium, 1 charge positive) et Na (atome de sodium, neutre).
★À retenir
À retenir :
• Un atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) entouré d'électrons.
• Z = nombre de protons (numéro atomique) ; A = nombre de nucléons (nombre de masse) ; N = A − Z = nombre de neutrons.
• Dans un atome neutre : nombre d'électrons = Z.
• Les électrons se répartissent sur des couches K (max 2), L (max 8), M (max 8).
• Des isotopes = même Z, A différents.
• Un cation a perdu des électrons (charge +) ; un anion en a gagné (charge −).