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.
- Électron (e⁻) : découvert par J. J. Thomson en 1897. Charge −1. Très léger : environ 1/1836 de la masse d'un proton. Il se déplace en dehors du noyau.
- Proton (p⁺) : trouvé en étudiant les rayons canaux (E. Goldstein, 1886). Charge +1. Masse d'environ 1 u.
- Neutron (n) : découvert par J. Chadwick en 1932. Pas de charge. Masse d'environ 1 u, un peu plus qu'un proton. Tous les atomes ont des neutrons, sauf l'hydrogène ordinaire.
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 :
- La plupart des particules alpha sont passées tout droit. Donc la plus grande partie de l'atome est du vide.
- Certaines ont dévié d'un petit angle. Donc il y a dans l'atome une charge positive qui les repousse.
- 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) :
- 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.
- La couche la plus externe ne peut pas contenir plus de 8 électrons.
- 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.
- S'il y a de 1 à 4 électrons externes : valence = nombre d'électrons externes. Sodium (2, 8, 1) → 1. Magnésium (2, 8, 2) → 2.
- S'il y a de 5 à 7 électrons externes : valence = 8 − nombre d'électrons externes. Oxygène (2, 6) → 8 − 6 = 2. Chlore (2, 8, 7) → 1.
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.
- Choisis un élément, par exemple l'oxygène : Z = 8, A = 16.
- Mets 8 rouges et 16 − 8 = 8 noirs au centre.
- Mets 8 jaunes sur les cercles : 2 sur K, 6 sur L.
- 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
- Numéro atomique Z = nombre de protons = nombre d'électrons (atome neutre)
- Nombre de masse A = protons + neutrons
- Neutrons = A − Z
- Nombre maximal d'électrons sur la couche n = 2n² (K 2, L 8, M 18, N 32)
- Valence = électrons externes (si 1–4) ou 8 − électrons externes (si 5–7)
- Masse atomique moyenne = somme de (masse de l'isotope × proportion)
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
- Confondre numéro atomique et nombre de masse. Z compte seulement les protons ; A compte les protons et les neutrons.
- Écrire que la valence du chlore est 7. Quand il y a 5 à 7 électrons externes, valence = 8 − électrons externes.
- Croire que les isotopes ont des nombres de protons différents. Les isotopes ne diffèrent que par les neutrons ; les isobares diffèrent par les protons.
- Mettre 18 électrons sur la couche M pour le potassium. Pour les 20 premiers éléments, la couche externe contient au plus 8 électrons, donc K est 2, 8, 8, 1.