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Structure de l'atome

Un atome a un noyau minuscule, lourd et positif, fait de protons et de neutrons. Les électrons tournent autour, dans des couches fixes K, L, M, N. Le nombre de protons (Z) donne l'élément ; protons + neutrons donnent le nombre de masse (A). Les électrons externes décident de la valence. Les isotopes ont le même Z ; les isobares ont le même A.

🎬 L'histoire pas à pas

  1. Voici les trois petites particules. Le proton rouge a une charge +1. Le neutron gris n'a pas de charge. L'électron bleu a une charge −1 et il est très, très léger.
  2. L'idée de Thomson (1904) : l'atome est une boule positive. Les électrons y sont plantés, comme les pépins dans une pastèque.
  3. Rutherford a envoyé des particules alpha sur une feuille d'or très fine. La plupart sont passées tout droit. Quelques-unes ont dévié. Très peu ont rebondi en arrière. Donc il y a un centre minuscule, lourd et positif : le noyau.
  4. L'idée de Bohr : les électrons ne se déplacent que sur des couches fixes K, L, M. Regarde-les se remplir. Le sodium a 11 électrons : 2 sur K, 8 sur L, 1 sur M.
  5. Regarde la couche la plus extérieure. Ses électrons sont les électrons de valence. Le sodium cède son seul électron externe, donc sa valence est 1.
  6. À toi de jouer ! Choisis un atome. Vois ses protons, ses neutrons, ses couches et sa valence, calculés ligne par ligne. Compare le carbone 12 et le carbone 14 (isotopes), puis l'argon 40 et le calcium 40 (isobares).

Astuce : fais glisser la scène 3D pour la tourner. Utilise deux doigts pour zoomer.

🤔 Les doutes courants, éclaircis

Si l'électron est si léger, pourquoi est-il important ?

Sa masse est minuscule, mais sa charge (−1) est aussi grande que celle d'un proton. Les électrons décident comment un atome s'unit aux autres atomes.

Qu'est-ce qui n'allait pas dans le modèle de la pastèque de Thomson ?

Si la charge positive était étalée, les particules alpha ne rebondiraient jamais. Rutherford a vu que certaines rebondissent, donc la charge positive doit être concentrée dans un noyau minuscule.

Pourquoi la plupart des particules alpha ont-elles traversé l'or sans dévier ?

Parce que la plus grande partie d'un atome est du vide. Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome, donc la plupart des particules ne s'en approchent jamais.

Pourquoi les électrons ne tombent-ils pas dans le noyau ?

Bohr a dit que les électrons restent sur des couches fixes, et que sur une couche ils ne perdent pas d'énergie. Ils continuent donc de tourner et ne tombent pas.

Pourquoi la valence du chlore est-elle 1 et pas 7 ?

Le chlore est 2, 8, 7. Prendre 1 électron pour arriver à 8 est bien plus facile que d'en céder 7. Donc valence = 8 − 7 = 1.

Si les isotopes ont des nombres de neutrons différents, sont-ils des éléments différents ?

Non. L'élément est décidé uniquement par les protons (Z). Le carbone 12 et le carbone 14 ont tous deux 6 protons, donc ce sont tous deux du carbone. Essaie les deux dans la dernière étape.

Pourquoi la masse atomique du chlore est-elle 35.5 et pas un nombre entier ?

C'est une moyenne de ses isotopes ³⁵Cl (environ 75 %) et ³⁷Cl (environ 25 %) : 35 × 0.75 + 37 × 0.25 = 35.5.

Électrons, protons et neutrons

Tout est fait d'atomes. Pendant longtemps, on a cru qu'on ne pouvait pas casser un atome. Puis des scientifiques ont trouvé des particules plus petites à l'intérieur.

Un atome a autant de protons que d'électrons. Les charges + et − s'annulent, donc l'atome entier n'a pas de charge (il est neutre).

Les modèles de l'atome : Thomson, Rutherford et Bohr

Le modèle de Thomson

Pour Thomson, l'atome est une boule de charge positive. Les électrons sont à l'intérieur, comme les pépins dans une pastèque. Les charges positives et négatives sont égales, donc l'atome est neutre. Problème : ce modèle ne pouvait pas expliquer le résultat de Rutherford.

L'expérience de Rutherford avec les particules alpha

Rutherford a envoyé des particules alpha rapides (des noyaux d'hélium, de charge +2) sur une feuille d'or très fine. Il a vu trois choses :

  1. La plupart des particules alpha sont passées tout droit. Donc la plus grande partie de l'atome est du vide.
  2. Certaines ont dévié d'un petit angle. Donc il y a dans l'atome une charge positive qui les repousse.
  3. Très peu (environ 1 sur 12 000) sont revenues droit en arrière. Donc toute la charge positive et presque toute la masse sont dans un centre très petit, le noyau.

Son modèle : un petit noyau positif, avec des électrons qui tournent autour comme les planètes autour du Soleil. Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Problème : une particule chargée qui tourne en cercle devrait perdre de l'énergie et tomber dans le noyau. Les atomes ne seraient alors pas stables. Pourtant, ils le sont.

Le modèle de Bohr

Niels Bohr a réglé ce problème. Il a dit que les électrons ne peuvent se déplacer que sur certaines orbites fixes, appelées couches ou niveaux d'énergie. Tant qu'un électron reste sur une couche, il ne perd pas d'énergie. Les couches s'appellent K, L, M, N (ou n = 1, 2, 3, 4) en allant vers l'extérieur.

Couches K, L, M, N : comment les électrons sont rangés

Règles pour les 20 premiers éléments (le schéma de Bohr–Bury) :

  1. La couche n peut contenir au maximum 2n² électrons : K (n=1) = 2, L (n=2) = 8, M (n=3) = 18, N (n=4) = 32.
  2. La couche la plus externe ne peut pas contenir plus de 8 électrons.
  3. Les couches intérieures se remplissent d'abord. Une nouvelle couche ne commence que lorsque la précédente est pleine (pour les 20 premiers éléments).

Exemples : carbone (6) = 2, 4. Sodium (11) = 2, 8, 1. Chlore (17) = 2, 8, 7. Calcium (20) = 2, 8, 8, 2. Ouvre l'étape 4 de la 3D pour voir les couches du sodium se remplir une à une.

Valence, numéro atomique et nombre de masse

La valence

Les électrons de la couche la plus externe s'appellent électrons de valence. Les atomes aiment avoir une couche externe pleine (8, ou 2 pour l'hélium). C'est ce qu'on appelle l'octet. Les atomes dont la couche externe est pleine, comme le néon et l'argon, ne réagissent pas, donc leur valence est 0.

Valence = le pouvoir de combinaison d'un atome = le nombre d'électrons qu'il cède, prend ou partage pour avoir une couche externe pleine.

Numéro atomique (Z)

C'est le nombre de protons dans le noyau. Il décide de l'élément. Chaque atome de carbone a Z = 6. Dans un atome neutre, électrons = Z.

Nombre de masse (A)

Les protons et les neutrons ensemble s'appellent des nucléons. Nombre de masse = protons + neutrons. Donc neutrons = A − Z. On écrit un atome ainsi : ₆¹²C, avec A en haut et Z en bas.

Isotopes et isobares

Isotopes

Ce sont des atomes du même élément (même Z) avec des nombres de masse différents (un nombre de neutrons différent). L'hydrogène en a trois : le protium ¹H (0 neutron), le deutérium ²H (1 neutron) et le tritium ³H (2 neutrons). Le chlore a ³⁵Cl et ³⁷Cl.

Les isotopes ont les mêmes électrons, donc les mêmes propriétés chimiques. Leurs masses sont différentes, donc certaines propriétés physiques changent.

Pourquoi la masse du chlore est-elle 35.5 u ? Dans la nature, environ 3 atomes de chlore sur 4 sont du ³⁵Cl et 1 sur 4 est du ³⁷Cl. Moyenne = 35 × 3/4 + 37 × 1/4 = 26.25 + 9.25 = 35.5 u.

Utilisations : l'uranium 235 comme combustible dans les réacteurs nucléaires, le cobalt 60 pour traiter le cancer, l'iode 131 pour soigner le goitre, le carbone 14 pour trouver l'âge des vieux objets.

Isobares

Ce sont des atomes d'éléments différents (Z différent) avec le même nombre de masse. Exemple : ⁴⁰₁₈Ar et ⁴⁰₂₀Ca. Ils ont des électrons différents, donc des propriétés chimiques différentes.

Essaie : construis un atome à la maison

Prends trois sortes de petits objets de couleurs différentes : des perles rouges (protons), des pois noirs (neutrons) et des grains jaunes (électrons). Dessine trois cercles sur une feuille pour K, L, M.

  1. Choisis un élément, par exemple l'oxygène : Z = 8, A = 16.
  2. Mets 8 rouges et 16 − 8 = 8 noirs au centre.
  3. Mets 8 jaunes sur les cercles : 2 sur K, 6 sur L.
  4. Prédis la valence (8 − 6 = 2). Vérifie ensuite dans la 3D : dernière étape, choisis l'oxygène 16.

Ensuite, remplace 2 pois noirs par 2 de plus. Tu viens de fabriquer un isotope ! L'élément n'a pas changé, car le nombre de rouges n'a pas changé.

Formules et définitions clés

Exemples résolus

1. Un atome a 9 protons et 10 neutrons. Trouve Z, A et le nombre d'électrons.

Étape 1 : Z = protons = 9. Étape 2 : A = 9 + 10 = 19. Étape 3 : l'atome est neutre, donc électrons = 9. C'est le fluor.

2. Écris la répartition des électrons de l'oxygène (Z = 8) et trouve sa valence.

Étape 1 : K en prend 2, il en reste 6. Étape 2 : L prend 6. Donc 2, 6. Étape 3 : électrons externes = 6, ce qui est plus que 4. Valence = 8 − 6 = 2.

3. Le magnésium a Z = 12 et A = 24. Trouve les neutrons, la répartition et la valence.

Neutrons = 24 − 12 = 12. Répartition : K 2, L 8, M 2 → 2, 8, 2. Électrons externes = 2, donc valence = 2.

4. Le chlore a Z = 17. Pourquoi sa valence est-elle 1 et pas 7 ?

Répartition 2, 8, 7. Il lui manque seulement 1 électron pour arriver à 8. Prendre 1 électron est plus facile que d'en céder 7, donc valence = 8 − 7 = 1.

5. Quelle paire est formée d'isotopes et laquelle d'isobares ? ¹²₆C, ¹⁴₆C, ⁴⁰₁₈Ar, ⁴⁰₂₀Ca.

¹²C et ¹⁴C : même Z (6), A différent → isotopes. ⁴⁰Ar et ⁴⁰Ca : même A (40), Z différent → isobares.

6. Un élément X a deux isotopes : ¹⁶X (90 %) et ¹⁸X (10 %). Trouve sa masse atomique moyenne.

Moyenne = 16 × 0.90 + 18 × 0.10 = 14.4 + 1.8 = 16.2 u.

7. Dans l'expérience de Rutherford, pourquoi très peu de particules alpha ont-elles rebondi en arrière ?

Seule une particule alpha passant très près du minuscule noyau subissait une forte poussée de sa charge positive. Le noyau est si petit que très peu de particules s'en approchaient autant. Donc très peu ont rebondi.

Erreurs fréquentes

Quiz d'entraînement

1. Quelle particule n'a pas de charge ?
2. Dans l'expérience de Rutherford, la plupart des particules alpha sont passées tout droit. Cela montre que :
3. Le nombre maximal d'électrons sur la couche M est :
4. La valence du soufre (2, 8, 6) est :
5. ⁴⁰Ar et ⁴⁰Ca sont :

Entraînement : réponds toi-même

Écris ou choisis ta réponse, puis appuie sur Vérifier. Prends un indice si tu bloques ; la solution complète s'affiche après ta réponse.

Questions fréquentes

Quelle est la structure d'un atome ?

Un atome a un petit noyau positif fait de protons et de neutrons, avec des électrons qui se déplacent autour sur des couches fixes K, L, M et N (modèle de Bohr).

Quelle est la différence entre isotopes et isobares ?

Les isotopes sont des atomes du même élément, avec le même numéro atomique mais des nombres de masse différents. Les isobares sont des atomes d'éléments différents avec le même nombre de masse.

Comment trouver la valence à partir de la répartition des électrons ?

Compte les électrons de la couche externe. S'il y en a de 1 à 4, ce nombre est la valence. S'il y en a de 5 à 7, valence = 8 moins ce nombre. Une couche externe pleine donne une valence 0.

Où c'est enseigné

Canada (Ontario)Grade 9C. Chemistry
NetherlandsVWO 3 (onderbouw)Substances and particles
NetherlandsHAVO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
NetherlandsVWO 4 (bovenbouw, 2e fase)Substances and materials
PolandSzkoła podstawowa, klasa VIIInternal structure of matter
RomaniaClasa a IX-aThe electron shell of the atom
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Spain2º ESOMatter
Spain3º ESOMatter
Spain4º ESOMatter
Ukraine8 класStructure of the atom
Ukraine9 класAtomic and nuclear phenomena
CBSE (India)Class 9Matter – Its Nature and Behaviour
CBSE (India)Class 9Advanced Level (optional): Chemistry
England (GCSE, A level)Year 104.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 105.1 Atomic structure and the periodic table
England (GCSE, A level)Year 106.4 Atomic structure
England (GCSE, A level)Year 104.4 Atomic structure
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Matter
Japan高校1年Composition of substances
South Korea중학교 2학년Composition of matter
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Compounds and the nucleus-shell atom model
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 8Compounds and the nucleus-shell atom model
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atomic structure and the periodic table
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 9Atoms
FranceTroisièmeMatter and its changes
FranceSecondeMatter
Russia8 классPeriodic law, atom, bonding
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Russia8 классElectric and magnetic phenomena
Russia9 классSubstance and chemical reaction
Russia9 классQuantum phenomena
Russia9 классQuantum phenomena
China九年级(初三)U3 Composition of matter
China九年级(初三)Structure of matter (standard 1.3)

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