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.
- **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
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Notions clés — Physique-Chimie
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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.