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Structure de l'atome et classification périodique

Décrire l'atome et se repérer dans la classification.

Chimie 3ème Chapitre 1 / 8 ⏱ 8 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Établir la structure électronique d'un atome
  • Situer un élément dans la classification
  • Prévoir la formation d'un ion à partir de la structure

Tout ce qui t’entoure — l’air que tu respires, l’eau de la gourde, la craie du tableau, ta propre main — est fait de la même chose : des atomes. Il en existe une centaine de sortes différentes, pas une de plus, et toute la chimie consiste à comprendre comment elles s’assemblent. Dans ce chapitre, on ouvre l’atome pour voir ce qu’il y a dedans, puis on découvre l’outil le plus puissant du chimiste : la classification périodique, un tableau qui range les éléments de telle sorte que leur comportement se lit à leur place.

1De quoi est fait un atome ?

Définition

Un atome est constitué de deux parties :

  • un noyau central, très petit, qui contient des protons (chargés positivement) et des neutrons (sans charge) ; protons et neutrons sont appelés des nucléons ;
  • un nuage électronique, fait d’électrons (chargés négativement) en mouvement très rapide autour du noyau.
Modèle de l’atome de sodium (Z = 11)KLMnoyau : protons + neutronsproton : charge positiveneutron : charge nulleélectron : charge négativenoyau : 11 protons + 12 neutronsautour : 11 électrons → atome neutreélectron de la couche externeLe nuage électronique occupe presque tout le volume de l’atome.
Figure 1 — Modèle de l’atome de sodium. Le dessin n’est pas à l’échelle : dans la réalité, le noyau serait bien plus petit encore.

Les trois particules qui composent un atome ont des caractéristiques très différentes. On note e=1,6×10−19 Ce = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C} la charge élémentaire, la plus petite charge électrique que l’on puisse isoler.

ParticuleSymboleCharge électriqueMasse (en kg\mathrm{kg})Où se trouve-t-elle ?
Protonp+\mathrm{p^{+}}+e=+1,6×10−19 C+e = +1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}1,673×10−271{,}673 \times 10^{-27}dans le noyau
Neutronn\mathrm{n}nulle : 0 C0\ \mathrm{C}1,675×10−271{,}675 \times 10^{-27}dans le noyau
Électrone−\mathrm{e^{-}}−e=−1,6×10−19 C-e = -1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}9,1×10−319{,}1 \times 10^{-31}dans le nuage électronique
Important : Un électron est environ 1 8001\,800 fois plus léger qu’un proton. C’est pour cela que l’on dit que toute la masse de l’atome est dans son noyau.

1.1  La neutralité électrique

Propriété

Un atome est électriquement neutre : il contient autant d’électrons que de protons. Sa charge totale est nulle.

Exemple — vérifier la neutralité du sodium

L’atome de sodium possède 1111 protons et 1111 électrons.

  1. charge du noyau =11×(+e)= 11 \times (+e)
  2. ==+11e+11e
  3. charge du nuage =11×(−e)= 11 \times (-e)
  4. ==−11e-11e
  5. charge totale =(+11e)+(−11e)= (+11e) + (-11e)
  6. ==00l’atome est bien neutre

2Numéro atomique, nombre de masse et isotopes

Définition

Le numéro atomique ZZ est le nombre de protons du noyau. C’est lui, et lui seul, qui définit l’élément chimique.

Le nombre de masse AA est le nombre total de nucléons, c’est-à-dire de protons et de neutrons.

On résume ces deux nombres dans l’écriture symbolique du noyau :

ZAX^{A}_{Z}\mathrm{X}

Lire l’écriture symbolique d’un noyau2311NaA = 23 : nombre de massec’est le nombre de nucléonsZ = 11 : numéro atomiquec’est le nombre de protonsN = A − Z = 23 − 11 = 12symbole de l’élément
Figure 2 — En haut AA, en bas ZZ, et le symbole de l’élément. Le nombre de neutrons se déduit par soustraction.
Propriété

Dans un atome de symbole ZAX^{A}_{Z}\mathrm{X} :

  • nombre de protons =Z= Z ;
  • nombre d’électrons =Z= Z (l’atome est neutre) ;
  • nombre de neutrons N=A−ZN = A - Z.
Méthode — décrire un noyau à partir de son symbole
  1. Repérer ZZ (en bas) : c’est le nombre de protons.
  2. Repérer AA (en haut) : c’est le nombre de nucléons.
  3. Calculer N=A−ZN = A - Z pour obtenir le nombre de neutrons.
  4. Écrire le nombre d’électrons : il est égal à ZZ.
Exemple — décrire le noyau 2656Fe^{56}_{26}\mathrm{Fe}
  1. Z=26Z = 26donc 2626 protons
  2. A=56A = 56donc 5656 nucléons
  3. N=A−ZN = A - Z
  4. ==56−2656 - 26
  5. ==3030il y a 3030 neutrons
  6. nombre d’électrons =Z=26= Z = 26neutralité électrique

2.1  Les isotopes

Définition

Deux noyaux sont isotopes lorsqu’ils ont le même numéro atomique ZZ mais des nombres de masse AA différents : même nombre de protons, nombre de neutrons différent.

Les trois isotopes du carbone : même Z, des A différentscarbone 12Z = 6 et N = 6A = 12carbone 13Z = 6 et N = 7A = 13carbone 14Z = 6 et N = 8A = 14protonneutron
Figure 3 — Les isotopes du carbone ont tous Z=6Z = 6 : ce sont tous des atomes de carbone, avec des noyaux plus ou moins lourds.

Des isotopes appartiennent au même élément chimique : ils ont le même nombre d’électrons, donc exactement les mêmes propriétés chimiques. Seule leur masse change. C’est pour cela que le carbone 1414, radioactif, se comporte chimiquement comme le carbone 1212 et se retrouve dans tous les êtres vivants — ce qui permet de les dater après leur mort.

3Un atome, c’est surtout du vide

Les ordres de grandeur de l’atome sont vertigineux. Le diamètre d’un atome vaut environ 10−10 m10^{-10}\ \mathrm{m}, tandis que celui de son noyau vaut environ 10−15 m10^{-15}\ \mathrm{m}.

  1. diameˋtre de l’atomediameˋtre du noyau=10−1010−15\dfrac{\text{diamètre de l’atome}}{\text{diamètre du noyau}} = \dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}
  2. ==10−10−(−15)10^{-10-(-15)}
  3. ==10510^{5}
  4. ==100 000100\,000le noyau est cent mille fois plus petit
L’atome est essentiellement du vidediamètre ≈ 10⁻¹⁰ mnoyau ≈ 10⁻¹⁵ m : invisible ici× 100 000un stade de 100 m……et un grain de riz de 1 mmLe noyau est 100 000 fois plus petit quel’atome, mais il en porte toute la masse.
Figure 4 — Si l’atome avait la taille d’un stade de 100 m100\ \mathrm{m}, son noyau serait un grain de riz de 1 mm1\ \mathrm{mm} posé au centre du terrain.
Propriété

L’atome est constitué de vide pour l’essentiel : le noyau, minuscule, concentre pourtant plus de 99,9 %99{,}9\ \% de sa masse.

Important : Cette structure « lacunaire » explique qu’un rayon puisse traverser la matière sans rien rencontrer : c’est le principe de la radiographie que l’on te fait à l’hôpital.

4La répartition des électrons en couches

Les électrons ne sont pas dispersés au hasard : ils se rangent dans des couches électroniques, notées K\mathrm{K}, L\mathrm{L}, M\mathrm{M} en partant du noyau. Chaque couche a une capacité maximale.

CouchePositionNombre maximal d’électrons
K\mathrm{K}la plus proche du noyau22
L\mathrm{L}la suivante88
M\mathrm{M}la suivante88 (pour les 2020 premiers éléments)
Méthode — établir une structure électronique
  1. Lire ZZ : c’est le nombre d’électrons à placer.
  2. Remplir d’abord la couche K\mathrm{K} (au plus 22 électrons).
  3. Puis la couche L\mathrm{L} (au plus 88), puis la couche M\mathrm{M}.
  4. Écrire le résultat sous la forme (K)a(L)b(M)c(\mathrm{K})^{a}(\mathrm{L})^{b}(\mathrm{M})^{c}.
  5. Vérifier que a+b+c=Za + b + c = Z.
Exemple — structure électronique du chlore (Z=17Z = 17)
  1. il y a 1717 électrons à placer
  2. couche K\mathrm{K} : 22 électronselle est saturée
  3. il reste 17−2=1517 - 2 = 15 électrons
  4. couche L\mathrm{L} : 88 électronselle est saturée
  5. il reste 15−8=715 - 8 = 7 électrons
  6. couche M\mathrm{M} : 77 électronscouche externe
  7. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)7(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{7}

Vérification : 2+8+7=17=Z2 + 8 + 7 = 17 = Z. La structure est correcte.

Trois structures électroniquesCCarbone (Z = 6)(K)² (L)⁴MgMagnésium (Z = 12)(K)² (L)⁸ (M)²ClChlore (Z = 17)(K)² (L)⁸ (M)⁷
Figure 5 — Trois structures électroniques. La couche externe est la dernière couche occupée : elle commande tout le comportement chimique de l’atome.
Définition

La couche externe est la dernière couche occupée par des électrons. Les électrons qu’elle contient sont les électrons externes (ou électrons de valence).

4.1  La règle du duet et de l’octet

Propriété — règle du duet et de l’octet

Au cours des transformations chimiques, les atomes évoluent de façon à obtenir une couche externe saturée, c’est-à-dire :

  • 22 électrons externes pour les atomes légers (Z⩽4Z \leqslant 4) : c’est la règle du duet ;
  • 88 électrons externes pour les autres : c’est la règle de l’octet.

Ils atteignent ainsi la structure du gaz noble le plus proche dans la classification.

Attention

La règle du duet et de l’octet explique ce que fait un atome, elle ne le lui « ordonne » pas. Un atome de chlore, à qui il manque un électron pour l’octet, en captera un très facilement. Un atome de sodium, qui en a un de trop, le cédera. Tu comprendras au chapitre suivant que c’est exactement ainsi que naissent les ions.

5La classification périodique des éléments

Les éléments chimiques sont rangés dans un tableau, la classification périodique, par numéro atomique ZZ croissant. Ce rangement n’a rien d’arbitraire : il fait apparaître des régularités remarquables.

Les vingt premiers éléments de la classification périodique1213141516171812341H2He3Li4Be5B6C7N8O9F10Ne11Na12Mg13Al14Si15P16S17Cl18Ar19K20Capériodecolonne 1 : les alcalins (1 électron externe)colonne 17 : les halogènes (7 électrons)colonne 18 : les gaz noblesune ligne = une période
Figure 6 — Extrait de la classification périodique : les 2020 premiers éléments, de l’hydrogène (Z=1Z=1) au calcium (Z=20Z=20).
Propriété
  • Une ligne s’appelle une période. Le numéro de la période est le numéro de la dernière couche occupée : les éléments de la 3e3^{\text{e}} période remplissent la couche M\mathrm{M}.
  • Une colonne s’appelle une famille. Tous les éléments d’une même colonne ont le même nombre d’électrons externes : ils ont donc des propriétés chimiques voisines.
Exemple — lire la place du magnésium
  1. Z(Mg)=12Z(\mathrm{Mg}) = 12
  2. structure : (K)2(L)8(M)2(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{2}
  3. dernière couche occupée : M\mathrm{M}c’est la 3e3^{\text{e}} couche
  4. ⇒\Rightarrowle magnésium est dans la 3e3^{\text{e}} période
  5. 22 électrons externes
  6. ⇒\Rightarrowil est dans la colonne 22famille des alcalino-terreux

5.1  Trois familles à connaître

  • Les alcalins (colonne 11 : Li\mathrm{Li}, Na\mathrm{Na}, K\mathrm{K}…) ont 11 électron externe. Ils le cèdent très facilement et réagissent violemment avec l’eau.
  • Les halogènes (colonne 1717 : F\mathrm{F}, Cl\mathrm{Cl}, Br\mathrm{Br}…) ont 77 électrons externes. Il ne leur en manque qu’un pour l’octet : ils captent avidement un électron.
  • Les gaz nobles (colonne 1818 : He\mathrm{He}, Ne\mathrm{Ne}, Ar\mathrm{Ar}…) ont une couche externe déjà saturée. Ils ne réagissent pratiquement avec rien : on les dit inertes.
Important : C’est parce que l’hélium est chimiquement inerte qu’on l’utilise pour gonfler les ballons de fête et les dirigeables : contrairement au dihydrogène, il ne peut pas prendre feu.
Exemple — Activité expérimentale — identifier un élément par la couleur de sa flamme

Matériel

  • un bec électrique ou un brûleur à gaz réglé sur flamme bleue non éclairante ;
  • quatre fils de platine (ou quatre bâtonnets de bois trempés dans l’eau distillée) ;
  • quatre coupelles contenant des solutions de chlorure de sodium, de chlorure de potassium, de chlorure de calcium et de chlorure de cuivre ;
  • de l’eau distillée pour rincer, des lunettes de protection.

Protocole

  1. Rincer soigneusement le fil à l’eau distillée, puis le passer dans la flamme jusqu’à ce qu’elle ne se colore plus.
  2. Tremper le fil dans la première solution.
  3. Placer le fil dans la partie la plus chaude de la flamme et observer la couleur pendant les deux premières secondes.
  4. Rincer, puis recommencer avec chacune des trois autres solutions.

Observations

Solution testéeÉlément apportéCouleur de la flamme
chlorure de sodiumsodium (Z=11Z = 11)jaune orangé intense
chlorure de potassiumpotassium (Z=19Z = 19)violet pâle (lilas)
chlorure de calciumcalcium (Z=20Z = 20)rouge brique
chlorure de cuivrecuivre (Z=29Z = 29)vert-bleu

Interprétation

Les quatre solutions contiennent toutes du chlore, et pourtant les couleurs diffèrent : ce n’est donc pas le chlore qui colore la flamme. La couleur ne dépend que de l’autre élément présent. La chaleur de la flamme apporte de l’énergie aux électrons externes, qui la restituent ensuite sous forme de lumière : chaque élément possède ainsi sa signature lumineuse, aussi caractéristique qu’une empreinte digitale.

C’est exactement ce principe qui permet aux astronomes de connaître la composition d’une étoile située à des milliers de milliards de kilomètres, sans jamais s’en approcher.

Math & Co — Mendeleïev et les cases vides

En 18691869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev publie un tableau où il range les éléments alors connus par masse atomique croissante, en revenant à la ligne chaque fois que les propriétés se répètent. Il fait alors un choix audacieux : plutôt que de forcer le rangement, il laisse des cases vides là où aucun élément connu ne convient, et affirme que ces cases correspondent à des éléments qui existent mais qu’on n’a pas encore découverts.

Il va plus loin : il prédit les propriétés de ces inconnus à partir de la place qu’ils occupent. Le gallium est isolé en 18751875, le scandium en 18791879, le germanium en 18861886 — et leurs propriétés correspondent aux prévisions. Le tableau venait de démontrer qu’il n’était pas un simple classement, mais une véritable loi de la nature.

Les gaz nobles, eux, n’étaient pas prévus : découverts à partir de 18941894, ils formèrent une colonne entièrement nouvelle qui s’ajouta au tableau sans en briser la logique.

Fiche mémo

  • Atome == noyau (protons ++ neutrons) ++ nuage électronique.
  • ZZ == nombre de protons == nombre d’électrons == numéro atomique.
  • AA == nombre de nucléons ; N=A−ZN = A - Z neutrons.
  • Écriture symbolique : ZAX^{A}_{Z}\mathrm{X}.
  • L’atome est neutre : autant de charges ++ que de charges −-.
  • Le noyau est 100 000100\,000 fois plus petit que l’atome, mais il porte toute sa masse : l’atome est essentiellement du vide.
  • Isotopes : même ZZ, AA différents.
  • Couches : K\mathrm{K} (max 22), L\mathrm{L} (max 88), M\mathrm{M} (max 88).
  • Duet et octet : les atomes cherchent 22 ou 88 électrons externes.
  • Classification : ligne == période == dernière couche ; colonne == famille == même nombre d’électrons externes.
Niveau 1 — Application directe
1

Donne la composition complète (protons, neutrons, électrons) de l’atome d’aluminium 1327Al^{27}_{13}\mathrm{Al}.

Voir le corrigé détaillé
  1. Z=13Z = 13donc 1313 protons
  2. A=27A = 27
  3. N=A−ZN = A - Z
  4. ==27−1327 - 13
  5. ==14141414 neutrons
  6. nombre d’électrons =Z=13= Z = 13l’atome est neutre

L’atome d’aluminium comporte donc 1313 protons, 1414 neutrons et 1313 électrons.

2

Un atome possède 1717 protons et 1818 neutrons. Calcule son nombre de masse, puis écris son symbole sachant que l’élément de numéro atomique 1717 est le chlore.

Voir le corrigé détaillé
  1. Z=17Z = 17
  2. A=Z+NA = Z + N
  3. ==17+1817 + 18
  4. ==3535

Le symbole du noyau s’écrit 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl}.

3

Recopie et complète ce tableau.

SymboleZZAAprotonsneutronsélectrons
816O^{16}_{8}\mathrm{O}?????
1123Na^{23}_{11}\mathrm{Na}?????
2040Ca^{40}_{20}\mathrm{Ca}?????
Voir le corrigé détaillé

On applique à chaque ligne : protons =Z= Z, électrons =Z= Z, neutrons =A−Z= A - Z.

SymboleZZAAprotonsneutronsélectrons
816O^{16}_{8}\mathrm{O}8816168816−8=816 - 8 = 888
1123Na^{23}_{11}\mathrm{Na}11112323111123−11=1223 - 11 = 121111
2040Ca^{40}_{20}\mathrm{Ca}20204040202040−20=2040 - 20 = 202020
4

Donne la structure électronique de l’azote (Z=7Z = 7), du magnésium (Z=12Z = 12) et de l’argon (Z=18Z = 18). Précise à chaque fois le nombre d’électrons externes.

Voir le corrigé détaillé
  1. azote : 7=2+57 = 2 + 5
  2. ⇒\Rightarrow(K)2(L)5(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{5}55 électrons externes
  3. magnésium : 12=2+8+212 = 2 + 8 + 2
  4. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)2(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{2}22 électrons externes
  5. argon : 18=2+8+818 = 2 + 8 + 8
  6. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)8(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{8}88 électrons externes

L’argon a sa couche externe saturée : c’est un gaz noble, il ne réagit pratiquement pas.

5

Ces trois structures sont-elles possibles ? Justifie et corrige celles qui sont fausses : (a) (K)2(L)9(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{9} ; (b) (K)2(L)6(M)2(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{6}(\mathrm{M})^{2} ; (c) (K)2(L)8(M)3(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{3}.

Voir le corrigé détaillé

(a) Impossible : la couche L\mathrm{L} ne peut contenir que 88 électrons au maximum.

Pour Z=11Z = 11, la structure correcte est (K)2(L)8(M)1(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{1}.

(b) Impossible : on ne commence pas la couche M\mathrm{M} tant que la couche L\mathrm{L} n’est pas saturée.

Pour Z=10Z = 10, la structure correcte est (K)2(L)8(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}.

(c) Possible : les couches K\mathrm{K} et L\mathrm{L} sont saturées et 2+8+3=132 + 8 + 3 = 13. Il s’agit de l’aluminium.

6

Parmi les noyaux 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl}, 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl} et 1840Ar^{40}_{18}\mathrm{Ar}, lesquels sont isotopes ? Justifie.

Voir le corrigé détaillé
  1. 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl} : Z=17Z = 17 et N=18N = 18
  2. 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl} : Z=17Z = 17 et N=20N = 20
  3. 1840Ar^{40}_{18}\mathrm{Ar} : Z=18Z = 18 et N=22N = 22

Les deux premiers ont le même ZZ mais des AA différents : ce sont des isotopes du chlore.

L’argon a un ZZ différent : ce n’est pas un isotope du chlore, c’est un autre élément — même si son nombre de masse est proche.

7

À l’aide de la figure de la classification, donne la période et le numéro de colonne du lithium (Z=3Z=3), du fluor (Z=9Z=9) et du néon (Z=10Z=10). À quelle famille appartiennent-ils ?

Voir le corrigé détaillé
  1. lithium : (K)2(L)1(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{1}
  2. ⇒\Rightarrowpériode 22, colonne 11famille des alcalins
  3. fluor : (K)2(L)7(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{7}
  4. ⇒\Rightarrowpériode 22, colonne 1717famille des halogènes
  5. néon : (K)2(L)8(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}
  6. ⇒\Rightarrowpériode 22, colonne 1818famille des gaz nobles

Tous trois sont sur la 2e2^{\text{e}} ligne : leur dernière couche occupée est bien la couche L\mathrm{L}.

Niveau 2 — Approfondissement
8

On donne e=1,6×10−19 Ce = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}. Calcule la charge du noyau, puis celle du nuage électronique, de l’atome de soufre 1632S^{32}_{16}\mathrm{S}. Conclus.

Voir le corrigé détaillé
  1. charge du noyau =16×1,6×10−19= 16 \times 1{,}6 \times 10^{-19}
  2. ==25,6×10−19 C25{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}
  3. ==2,56×10−18 C2{,}56 \times 10^{-18}\ \mathrm{C}charge positive
  4. charge du nuage =16×(−1,6×10−19)= 16 \times (-1{,}6 \times 10^{-19})
  5. ==−2,56×10−18 C-2{,}56 \times 10^{-18}\ \mathrm{C}
  6. charge totale =2,56×10−18−2,56×10−18= 2{,}56 \times 10^{-18} - 2{,}56 \times 10^{-18}
  7. ==0 C0\ \mathrm{C}

L’atome de soufre est bien électriquement neutre : les 1616 charges positives du noyau sont exactement compensées par les 1616 charges négatives du nuage.

9

On donne mp=1,67×10−27 kgm_{\mathrm{p}} = 1{,}67 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg}, mn=1,67×10−27 kgm_{\mathrm{n}} = 1{,}67 \times 10^{-27}\ \mathrm{kg} et me=9,1×10−31 kgm_{\mathrm{e}} = 9{,}1 \times 10^{-31}\ \mathrm{kg}. Pour l’atome de carbone 612C^{12}_{6}\mathrm{C}, calcule la masse du noyau, celle des électrons, et le pourcentage de la masse totale porté par le noyau.

Voir le corrigé détaillé
  1. mnoyau=12×1,67×10−27m_{\text{noyau}} = 12 \times 1{,}67 \times 10^{-27}1212 nucléons
  2. ==2,00×10−26 kg2{,}00 \times 10^{-26}\ \mathrm{kg}
  3. meˊlectrons=6×9,1×10−31m_{\text{électrons}} = 6 \times 9{,}1 \times 10^{-31}
  4. ==5,5×10−30 kg5{,}5 \times 10^{-30}\ \mathrm{kg}
  5. matome=2,00×10−26+5,5×10−30m_{\text{atome}} = 2{,}00 \times 10^{-26} + 5{,}5 \times 10^{-30}
  6. ≈\approx2,01×10−26 kg2{,}01 \times 10^{-26}\ \mathrm{kg}
  7. pourcentage =2,00×10−262,01×10−26×100= \dfrac{2{,}00 \times 10^{-26}}{2{,}01 \times 10^{-26}} \times 100
  8. ≈\approx99,97 %99{,}97\ \%

Le noyau porte donc plus de 99,9 %99{,}9\ \% de la masse de l’atome : l’approximation « la masse de l’atome est celle de son noyau » est parfaitement justifiée.

10

Un atome a pour structure électronique (K)2(L)8(M)6(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{6}. Quel est son numéro atomique ? Dans quelle période et quelle colonne se trouve-t-il ? Combien d’électrons doit-il gagner ou perdre pour respecter la règle de l’octet ?

Voir le corrigé détaillé
  1. Z=2+8+6Z = 2 + 8 + 6
  2. ==1616c’est le soufre
  3. dernière couche occupée : M\mathrm{M}
  4. ⇒\Rightarrow3e3^{\text{e}} période
  5. 66 électrons externes
  6. ⇒\Rightarrowcolonne 1616

Pour atteindre 88 électrons externes, il lui manque 8−6=28 - 6 = 2 électrons.

Il aura donc tendance à gagner 22 électrons, et non à en perdre 66 : gagner deux électrons demande beaucoup moins d’énergie que d’en arracher six.

11

Le chlore naturel est un mélange de deux isotopes : 75 %75\ \% de 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl} et 25 %25\ \% de 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl}. Calcule le nombre de masse moyen du chlore naturel. Pourquoi la classification indique-t-elle 35,535{,}5 et non un nombre entier ?

Voir le corrigé détaillé
  1. Amoyen=0,75×35+0,25×37A_{\text{moyen}} = 0{,}75 \times 35 + 0{,}25 \times 37
  2. ==26,25+9,2526{,}25 + 9{,}25
  3. ==35,535{,}5

Aucun noyau de chlore ne possède 35,535{,}5 nucléons : ce serait absurde, un nucléon ne se coupe pas en deux. Le nombre 35,535{,}5 est une moyenne pondérée sur l’ensemble des atomes de chlore d’un échantillon naturel.

C’est le cas de la plupart des éléments : les valeurs non entières de la classification traduisent l’existence d’isotopes.

12

Deux atomes A et B ont respectivement ZA=11Z_{\mathrm{A}} = 11 et ZB=19Z_{\mathrm{B}} = 19. Montre qu’ils appartiennent à la même famille, puis explique pourquoi ils réagissent tous les deux violemment avec l’eau.

Voir le corrigé détaillé
  1. A : 11=2+8+111 = 2 + 8 + 1
  2. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)1(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{1}11 électron externe
  3. B : 19=2+8+8+119 = 2 + 8 + 8 + 1
  4. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)8(N)1(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{8}(\mathrm{N})^{1}11 électron externe

Les deux atomes possèdent un seul électron externe : ils sont donc dans la colonne 11, la famille des alcalins. A est le sodium, B est le potassium.

Ce sont les électrons externes qui déterminent le comportement chimique. Comme A et B en ont le même nombre, ils réagissent de la même façon : ils cèdent très facilement leur unique électron externe, ce qui rend leur réaction avec l’eau extrêmement vive.

13

Explique pourquoi les gaz nobles ne forment presque jamais de composés, alors que les halogènes en forment avec presque tout.

Voir le corrigé détaillé

Un gaz noble possède déjà une couche externe saturée : 22 électrons pour l’hélium, 88 pour le néon et l’argon.

Il satisfait donc déjà la règle du duet ou de l’octet sans rien faire. Il n’a aucun électron à gagner, aucun à céder : il n’a aucune raison de réagir. C’est la définition même d’un gaz inerte.

Un halogène possède au contraire 77 électrons externes : il ne lui en manque qu’un seul pour l’octet. Capter un unique électron lui coûte très peu d’énergie et lui apporte beaucoup de stabilité.

C’est pourquoi les halogènes sont parmi les éléments les plus réactifs du tableau, alors que leurs voisins immédiats de droite, les gaz nobles, sont les plus paresseux.

Niveau 3 — Défi
14

Dans le noyau d’un certain atome, le nombre de neutrons dépasse d’une unité le nombre de protons, et le nombre de masse vaut 2323. Détermine ZZ et NN, puis identifie l’élément à l’aide de la classification.

Voir le corrigé détaillé

On note ZZ le nombre de protons. L’énoncé donne N=Z+1N = Z + 1.

  1. A=Z+NA = Z + N
  2. ==Z+(Z+1)Z + (Z + 1)
  3. ==2Z+12Z + 1
  4. or A=23A = 23
  5. ⇒\Rightarrow2Z+1=232Z + 1 = 23
  6. ⇒\Rightarrow2Z=222Z = 22
  7. ⇒\RightarrowZ=11Z = 11
  8. N=Z+1N = Z + 1
  9. ==1212

L’élément de numéro atomique 1111 est le sodium : le noyau s’écrit 1123Na^{23}_{11}\mathrm{Na}.

Vérification : 11+12=2311 + 12 = 23, et 1212 dépasse bien 1111 d’une unité.

15

Un élément X appartient à la 3e3^{\text{e}} période et sa couche externe contient 77 électrons. Détermine sa structure électronique, son numéro atomique et son nom. Quel gaz noble cherche-t-il à imiter ? Combien d’électrons doit-il pour cela gagner ?

Voir le corrigé détaillé

3e3^{\text{e}} période signifie que la dernière couche occupée est la couche M\mathrm{M} : les couches K\mathrm{K} et L\mathrm{L} sont donc saturées.

  1. couche K\mathrm{K} : 22 électrons
  2. couche L\mathrm{L} : 88 électrons
  3. couche M\mathrm{M} : 77 électronscouche externe
  4. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)7(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{7}
  5. Z=2+8+7Z = 2 + 8 + 7
  6. ==1717

Il s’agit du chlore, dans la colonne 1717 (famille des halogènes).

Le gaz noble le plus proche est l’argon, de structure (K)2(L)8(M)8(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{8}, situé juste à sa droite.

  1. électrons à gagner =8−7= 8 - 7
  2. ==11

En captant un seul électron, le chlore atteint la structure de l’argon. Tu verras au chapitre suivant qu’il devient alors l’ion Cl−\mathrm{Cl^{-}}.

16

On assimile l’atome à une sphère de rayon R=1,0×10−10 mR = 1{,}0 \times 10^{-10}\ \mathrm{m} et son noyau à une sphère de rayon r=1,0×10−15 mr = 1{,}0 \times 10^{-15}\ \mathrm{m}. Le volume d’une sphère de rayon xx vaut V=43πx3V = \dfrac{4}{3}\pi x^{3}. Calcule le rapport VnoyauVatome\dfrac{V_{\text{noyau}}}{V_{\text{atome}}} et commente.

Voir le corrigé détaillé
  1. VnoyauVatome=43πr343πR3\dfrac{V_{\text{noyau}}}{V_{\text{atome}}} = \dfrac{\frac{4}{3}\pi r^{3}}{\frac{4}{3}\pi R^{3}}
  2. ==(rR)3\left(\dfrac{r}{R}\right)^{3}les facteurs 43π\frac{4}{3}\pi se simplifient
  3. rR=1,0×10−151,0×10−10\dfrac{r}{R} = \dfrac{1{,}0 \times 10^{-15}}{1{,}0 \times 10^{-10}}
  4. ==10−510^{-5}
  5. (10−5)3=10−15\left(10^{-5}\right)^{3} = 10^{-15}

Le noyau n’occupe donc qu’un millionième de milliardième du volume de l’atome : 0,000 000 000 000 1 %0{,}000\,000\,000\,000\,1\ \%.

Autrement dit, si l’on pouvait comprimer la matière jusqu’à supprimer tout le vide, l’humanité entière tiendrait dans un volume de la taille d’un morceau de sucre. C’est précisément ce qui se produit dans les étoiles à neutrons.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
17

Le sel du marché de Ndjamena. Amina achète un sachet de sel de cuisine au marché de Dembé. L’étiquette indique : « chlorure de sodium, NaCl\mathrm{NaCl} ». Elle se demande pourquoi ces deux éléments-là se retrouvent toujours ensemble.

  1. Donne la structure électronique du sodium (Z=11Z = 11) et du chlore (Z=17Z = 17).
  2. Combien d’électrons externes possède chacun ?
  3. Que doit faire chacun pour respecter la règle de l’octet ?
  4. Explique en une phrase pourquoi le sodium et le chlore s’associent si facilement.
Voir le corrigé détaillé

1. On remplit les couches dans l’ordre K\mathrm{K}, L\mathrm{L}, M\mathrm{M}.

  1. sodium : 11=2+8+111 = 2 + 8 + 1
  2. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)1(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{1}
  3. chlore : 17=2+8+717 = 2 + 8 + 7
  4. ⇒\Rightarrow(K)2(L)8(M)7(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{8}(\mathrm{M})^{7}

2. Le sodium possède 11 électron externe, le chlore en possède 77.

3. Pour atteindre 88 électrons externes :

  1. le sodium doit perdre son unique électron externela couche L\mathrm{L}, déjà saturée à 88, devient alors la couche externe
  2. le chlore doit gagner 8−7=18 - 7 = 1 électron

4. L’un a exactement un électron en trop, l’autre exactement un électron en moins : le sodium cède son électron au chlore, et les deux atomes se retrouvent simultanément stabilisés. Voilà pourquoi ces deux éléments-là forment le sel que l’on trouve dans toutes les cuisines du monde.

18

La datation d’un masque au musée de Yaoundé. Le laboratoire du musée fait analyser un masque de bois : la mesure du carbone 1414 qu’il contient permet d’estimer sa date d’abattage. La notice précise que le bois contient du carbone 1212 (612C^{12}_{6}\mathrm{C}) et, en très faible proportion, du carbone 1414 (614C^{14}_{6}\mathrm{C}).

  1. Donne la composition des deux noyaux.
  2. Quel mot désigne la relation entre ces deux noyaux ?
  3. Combien d’électrons possède chacun de ces deux atomes ?
  4. Pourquoi l’arbre, de son vivant, ne fait-il aucune différence entre les deux lorsqu’il fabrique son bois ?
Voir le corrigé détaillé

1. On applique N=A−ZN = A - Z.

  1. 612C^{12}_{6}\mathrm{C} : Z=6Z = 6 donc 66 protons
  2. N=12−6=6N = 12 - 6 = 6 neutrons
  3. 614C^{14}_{6}\mathrm{C} : Z=6Z = 6 donc 66 protons
  4. N=14−6=8N = 14 - 6 = 8 neutrons

2. Même ZZ, des AA différents : ces deux noyaux sont isotopes.

3. Chaque atome est neutre, donc chacun possède Z=6Z = 6 électrons.

4. Les propriétés chimiques d’un atome ne dépendent que de ses électrons, en particulier de ses électrons externes. Les deux isotopes ont exactement les mêmes : (K)2(L)4(\mathrm{K})^{2}(\mathrm{L})^{4}, soit 44 électrons externes.

L’arbre les absorbe donc dans la même proportion que l’air en contient. À sa mort, il cesse d’en absorber : le carbone 1414, radioactif, diminue peu à peu, tandis que le carbone 1212 reste. C’est cet écart qui donne la date.

19

Les ballons de la fête à Abidjan. Pour l’anniversaire de sa fille, Koffi hésite entre deux bouteilles de gaz au magasin de Treichville : l’une contient de l’hélium (Z=2Z = 2), l’autre du dihydrogène. Le vendeur lui déconseille fermement la seconde.

  1. Donne la structure électronique de l’atome d’hélium.
  2. La règle du duet est-elle respectée ? Que peut-on en conclure sur sa réactivité ?
  3. À quelle famille et à quelle colonne appartient l’hélium ?
  4. Le dihydrogène est un gaz très inflammable. Explique pourquoi le vendeur a raison, et pourquoi l’hélium fait tout aussi bien voler les ballons.
Voir le corrigé détaillé

1. L’hélium possède 22 électrons : ils tiennent tous les deux dans la couche K\mathrm{K}.

  1. Z=2Z = 2
  2. ⇒\Rightarrow(K)2(\mathrm{K})^{2}

2. La couche K\mathrm{K} contient au maximum 22 électrons : elle est donc saturée. La règle du duet est respectée telle quelle.

L’hélium n’a donc besoin ni de gagner, ni de céder, ni de partager le moindre électron : il est chimiquement inerte.

3. Couche externe saturée, colonne 1818 : c’est un gaz noble, situé sur la 1re1^{\text{re}} période.

4. Le dihydrogène brûle en présence de l’air et peut exploser au contact d’une simple bougie d’anniversaire. L’hélium, lui, ne réagit avec rien : aucun risque d’incendie.

Or ce qui fait monter un ballon n’est pas la réactivité du gaz, mais sa faible masse volumique par rapport à l’air. L’hélium étant lui aussi bien plus léger que l’air, les ballons volent tout aussi bien — sans le danger. Koffi doit donc suivre le conseil du vendeur.

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