Physique-Chimie — Constitution et transformations de la matière
Le modèle de l'atome
Structure de l'atome, éléments chimiques, tableau périodique
Résumé synthétiqueFiche en 5 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Tout ce qui nous entoure — l'air, l'eau, ton corps, ton téléphone — est bâti à partir d'une poignée de briques minuscules : les atomes. Chaque atome possède un noyau central, dense et chargé positivement (des protons et des neutrons), autour duquel s'agite un nuage d'électrons chargés négativement. Un seul nombre, le numéro atomique $Z$ (le nombre de protons), suffit à dire de quel élément il s'agit : $Z = 6$, c'est forcément du carbone. Ce chapitre montre comment compter les particules d'un atome, comment ranger ses électrons en couches, et comment Mendeleïev a organisé tous les éléments dans un tableau périodique où la place d'un atome révèle déjà ses propriétés chimiques.
Un atome est formé d'un noyau central, minuscule mais très dense, entouré d'électrons en mouvement. Le noyau contient deux sortes de particules : les protons (charge $+$) et les neutrons (charge nulle), appelées ensemble les nucléons. Tout l'atome est globalement neutre : il compte autant d'électrons négatifs que de protons positifs.
- Noyau : protons (charge $+1$) et neutrons (charge $0$), regroupés sous le nom de nucléons.
- Électrons (charge $-1$) : ils occupent un vaste nuage autour du noyau, très loin de lui.
- Numéro atomique $Z$ $=$ nombre de protons : c'est lui qui identifie l'élément chimique.
- Nombre de masse $A$ $=$ nombre de nucléons $=$ protons $+$ neutrons.
- Nombre de neutrons : $N = A - Z$.
- Atome neutre : nombre d'électrons $= Z$ (autant de charges $-$ que de charges $+$).
- Ordres de grandeur : noyau $\approx 10^{-15}\,\mathrm{m}$, atome $\approx 10^{-10}\,\mathrm{m}$ : l'atome est essentiellement vide !
Exemple
L'atome d'oxygène a pour symbole ${}^{16}_{\ 8}\mathrm{O}$, donc $Z = 8$ et $A = 16$. On en déduit : $8$ protons, $N = A - Z = 16 - 8 = 8$ neutrons, et comme l'atome est neutre, $8$ électrons.
Piège à éviter
Ne confonds pas $A$ et $Z$ : $Z$ compte seulement les protons, $A$ compte tous les nucléons. Le nombre de neutrons n'apparaît pas directement : il faut le calculer par $N = A - Z$.
Les électrons ne sont pas placés n'importe comment : ils se répartissent sur des couches d'énergie successives, notées $\mathrm{K}$, $\mathrm{L}$, $\mathrm{M}$… On remplit toujours de la plus proche du noyau vers l'extérieur, sans dépasser le maximum de chaque couche. Les électrons de la dernière couche occupée, dits électrons de valence, commandent les propriétés chimiques de l'atome.
L'atome de carbone ($Z = 6$) : sa structure électronique est $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^4$, soit $4$ électrons de valence sur la couche externe.
- Couche $\mathrm{K}$ (la plus proche) : au maximum $2$ électrons.
- Couche $\mathrm{L}$ : au maximum $8$ électrons.
- Couche $\mathrm{M}$ : au maximum $18$ électrons (on se limite souvent à $8$ en seconde).
- Règle de remplissage : on remplit dans l'ordre $\mathrm{K} \to \mathrm{L} \to \mathrm{M}$ (énergie croissante).
- Exemple : le sodium $\mathrm{Na}$ ($Z = 11$) a la structure $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8(\mathrm{M})^1$, soit $1$ électron de valence.
- Les électrons de valence (dernière couche) gouvernent la réactivité chimique.
Exemple
Établissons la structure du chlore $\mathrm{Cl}$ ($Z = 17$). On place $17$ électrons : $2$ sur $\mathrm{K}$ (pleine), puis $8$ sur $\mathrm{L}$ (pleine), puis les $17 - 10 = 7$ restants sur $\mathrm{M}$. Résultat : $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8(\mathrm{M})^7$, donc $7$ électrons de valence.
Piège à éviter
On remplit une couche entièrement avant de passer à la suivante : impossible de mettre un électron sur $\mathrm{L}$ tant que $\mathrm{K}$ n'a pas ses $2$ électrons. Vérifie toujours que la somme des électrons redonne bien $Z$.
En $1869$, Mendeleïev a rangé les éléments connus par masse croissante et a remarqué que leurs propriétés se répétaient régulièrement. Le tableau moderne classe les éléments par $Z$ croissant : la position d'un atome (sa ligne, sa colonne) renseigne directement sur sa structure électronique et donc sa chimie.
- Classement par $Z$ croissant, de gauche à droite puis de haut en bas.
- Ligne $=$ période $=$ même nombre de couches occupées (ex. période $2$ : couches $\mathrm{K}$ et $\mathrm{L}$).
- Colonne $=$ famille $=$ même nombre d'électrons de valence $\Rightarrow$ propriétés voisines.
- Colonne $1$ : les alcalins ($1$ électron de valence) — très réactifs ($\mathrm{Li}$, $\mathrm{Na}$, $\mathrm{K}$).
- Colonne $17$ : les halogènes ($7$ électrons de valence) — très réactifs ($\mathrm{F}$, $\mathrm{Cl}$, $\mathrm{Br}$).
- Colonne $18$ : les gaz nobles (couche externe saturée) — quasi inertes ($\mathrm{He}$, $\mathrm{Ne}$, $\mathrm{Ar}$).
- Règle de l'octet : les atomes tendent à gagner, perdre ou partager des électrons pour avoir $8$ électrons externes (comme les gaz nobles).
Exemple
Le sodium $\mathrm{Na}$ ($Z = 11$, structure $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8(\mathrm{M})^1$) possède $3$ couches occupées et $1$ électron de valence : il se trouve donc à la période $3$, colonne $1$ (les alcalins). Son unique électron externe, facile à arracher, explique sa grande réactivité.
Piège à éviter
Une ligne indique le nombre de couches, une colonne le nombre d'électrons de valence : ne confonds pas les deux. Ce sont les éléments d'une même colonne (pas d'une même ligne) qui ont des propriétés chimiques semblables.
Tous les atomes d'un même élément ont le même nombre de protons $Z$, mais pas forcément le même nombre de neutrons. Deux atomes de même $Z$ et de $A$ différents sont des isotopes : chimiquement identiques, ils diffèrent seulement par leur masse.
- Isotopes : atomes de même $Z$ (même élément) mais de $A$ différents (nombres de neutrons différents).
- Exemple : le carbone $12$, ${}^{12}_{\ 6}\mathrm{C}$, et le carbone $14$, ${}^{14}_{\ 6}\mathrm{C}$ : même $Z = 6$, mais $A = 12$ ou $A = 14$.
- Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques (même structure électronique).
- Le carbone $14$ est radioactif : il sert à dater les matières organiques anciennes.
Exemple
Combien de neutrons dans le carbone $14$, ${}^{14}_{\ 6}\mathrm{C}$ ? On calcule $N = A - Z = 14 - 6 = 8$ neutrons, contre $6$ pour le carbone $12$. Les deux atomes ont bien $6$ protons et $6$ électrons : c'est ce qui leur donne la même chimie.
Piège à éviter
Des isotopes ont le même nombre d'électrons, donc le même comportement chimique : seule leur masse change. Ne crois pas que le carbone $14$ réagit différemment du carbone $12$ — il est juste plus lourd et instable.
Pour atteindre la stabilité des gaz nobles (règle de l'octet), un atome peut gagner ou perdre des électrons : il devient alors un ion, chargé électriquement. Ces échanges ou partages d'électrons sont à l'origine des liaisons qui assemblent les atomes en édifices.
- Ion : atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons — il n'est plus neutre.
- Cation : atome ayant perdu des électrons $\Rightarrow$ charge positive (ex. $\mathrm{Na}^+$, $\mathrm{Ca}^{2+}$).
- Anion : atome ayant gagné des électrons $\Rightarrow$ charge négative (ex. $\mathrm{Cl}^-$, $\mathrm{O}^{2-}$).
- Liaison ionique : attraction entre un cation et un anion (ex. $\mathrm{NaCl}$, formé de $\mathrm{Na}^+$ et $\mathrm{Cl}^-$).
- Liaison covalente : partage d'une paire d'électrons entre deux atomes (ex. $\mathrm{H_2}$, $\mathrm{H_2O}$).
Exemple
Le sodium $\mathrm{Na}$ a la structure $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8(\mathrm{M})^1$. En perdant son unique électron de valence, il atteint la configuration stable $(\mathrm{K})^2(\mathrm{L})^8$ (celle du néon) et devient le cation $\mathrm{Na}^+$ : il a perdu une charge négative, sa charge globale devient $+1$.
Piège à éviter
Un cation se forme en perdant des électrons (jamais en gagnant des protons : le noyau ne change pas !). Le signe de l'ion suit l'électron : perdre une charge $-$ rend l'atome positif.
Quiz - Le modèle de l'atome
10 questions
S'entraîner
Ce thème dans une autre classe
Notions clés — Physique-Chimie
Articles utiles
Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Le modèle de l'atome, extraits du quiz de révision.
Le numéro atomique $Z$ représente :
Réponse :
Le nombre de protons dans le noyau
$Z$ est le nombre de protons. C'est lui qui identifie l'élément chimique : changer $Z$, c'est changer d'élément.
Un atome neutre a $Z = 8$. Combien a-t-il d'électrons ?
Réponse :
$8$
Un atome est électriquement neutre : nombre d'électrons $= Z = 8$. Cet atome est l'oxygène ($\mathrm{O}$).
La couche électronique $\mathrm{L}$ peut contenir au maximum :
Réponse :
$8$ électrons
Maximums : $\mathrm{K} = 2$, $\mathrm{L} = 8$, $\mathrm{M} = 18$. On remplit toujours $\mathrm{K}$ avant $\mathrm{L}$, puis $\mathrm{L}$ avant $\mathrm{M}$.
Les éléments d'une même colonne du tableau périodique :
Réponse :
Ont les mêmes propriétés chimiques et le même nombre d'électrons de valence
Même colonne $=$ même nombre d'électrons de valence (couche externe) $=$ propriétés chimiques similaires.