L'atome et l'élément

L'atome et l'élément.

I. L'atome.

1. Notion de modèle.

En sciences physiques, un modèle est une représentation de la réalité. Ce n'est donc pas la réalité. Cette représentation est élaborée progressivement à partir des observations.
Un modèle doit posséder deux vertus:

Permettre d'expliquer les propriétés observées,
Permettre de prévoir d'autres propriétés non encore observées.

Un modèle est en permanente évolution puisque de nouvelles découvertes sont susceptibles de le mettre en défaut. Enfin et paradoxalement c'est souvent l'étude des défauts d'un modèle qui permet d'approfondir nos connaissances en sciences physiques.

2. Modèle de l'atome.

A l'heure actuelle les physiciens et les chimistes pensent qu’un atome peut être modélisé par une structure présentant un noyau autour duquel existe une zone sphérique centrée sur le noyau et dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver les électrons. Cette partie de l'atome est appelée nuage électronique. On donne ci-contre un dessin d'un modèle probabiliste d'un atome d'hydrogène composé d'un noyau et d'un unique électron.

wpe3.jpg (6681 octets)

3. Le noyau de l'atome.

a. Les nucléons

Le noyau de l'atome est constitué de deux types de particules, les nucléons dont certaines propriétés sont regroupées dans le tableau ci-dessous:

Nom	Charge	Masse
Proton	e =1,6.10 ^-19C	m_p= 1,67.10 ^-27kg
Neutron	0	m_n= 1,67.10 ^-27kg

Il faut mémoriser que la charge électrique portée par le proton est notée e et appelée: charge élémentaire. C'est la plus petite charge électrique stable que l'on puisse isoler.

b. Les nombres Z et A.

Le nombre de charge ou numéro atomique Z d'un noyau est le nombre de protons qu'il contient.

A représente le nombre de nucléons du noyau.

On convient de représenter le noyau d'un atome par le symbole:

Dans ce symbole, A représente un élément. Par exemple O: oxygène, Cl: chlore, N: azote.

Si l'on note N le nombre de neutrons du noyau on a: A=Z+N.

c. Les isotopes.

On appelle atomes isotopes les ensembles d'atomes caractérisés par le même numéro atomique Z et des nombres de nucléons A différents. Ce sont donc des ensembles d'atomes qui ne diffèrent que par le nombre de leurs neutrons.

Exemple:

wpe8.jpg (10748 octets)

4. Le nuage électronique.

On appelle ainsi la zone sphérique de l'espace, centrée sur le noyau, dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver, à un instant donné, le (ou les) électron(s) de l'atome. certaines propriétés de l'électron sont données ci-dessous:

	Charge	Masse
Electron	e= –1,6.10 ^-19C	m_e =9,1.10 ^-31kg

Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de la masse de l'électron. Par contre il est utile de savoir que cette masse est beaucoup plus petite que celle d'un nucléon (environ 2000 fois plus petite) ce qui nous autorise à négliger la masse des électrons devant celle des nucléons.

m_e est négligeable devant m_p ou m_n.

5. Dimensions de l'atome.

L'atome d'hydrogène est représenté ci-contre. Ces dimensions sont:

Diamètre du noyau: d_n = 2,4.10^-15m.

Diamètre de l'atome: d_a = 1,1.10^-10m.

Il s'agit du plus petit atome connu. Il n'est pas important de retenir ces valeurs mais l'ordre de grandeur de leur rapport , valable pour les petits atomes donne une bonne idée de l'espace extrêmement limité occupé par le noyau d'un atome vis à vis de l'espace dans lequel évoluent les électrons

wpeA.jpg (4449 octets)

wpeB.jpg (7408 octets) wpeC.jpg (6403 octets) wpeD.jpg (6014 octets)

Quelques modèles d'atomes

5. Propriétés de l'atome.

Neutralité électrique (ou électroneutralité) de l'atome.

L'atome est un édifice électriquement neutre.

Le noyau comporte Z protons de charge électrique e. Sa charge électrique totale est donc: Q_noyau = Z.e
Le nuage électronique comporte Z électrons de charge électrique –e. Sa charge électrique totale est Q_nuage = – Z.e.
De telle sorte que la charge électrique totale de l'atome est nulle. Q_atome = 0

Z représente donc aussi le nombre d'électrons de l'atome.

Structure lacunaire de l'atome.

La matière constituant un atome est essentiellement concentrée dans son noyau. Les électrons tournent autour de ce noyau. Les distances séparant le noyau des électrons sont très grandes. Ainsi la plus grande partie (volume) d'un atome est constituée de vide. C'est ce que l'on appelle une structure lacunaire.
La réalité d'une telle structure est confirmée par l'expérience de Lord Ernest Rutherford (1871-1937).

c. Masse d'un atome.

Nous avons vu plus haut que les électrons ont une masse négligeable devant celle des nucléons. Nous pouvons donc considérer avec une très bonne approximation que la masse de l'atome est pratiquement égale à la masse de son noyau. La masse de l'atome X pourra donc être écrite:

m(X) = A.m_p

ou, puisque m_p = m_n

m(X) = A.m_n

II. L'élément chimique.

Définition.

On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des particules, qu'il s'agisse d'atomes ou d'ions, caractérisées par le même nombre Z de protons présents dans leur noyau.

Symboles des éléments.

Nous connaissons à ce jour 116 éléments. Certains de ces éléments sont naturels d'autres sont artificiels. En particulier les éléments au-delà de l'uranium (Z>92) sont artificiels.

Chaque élément est représenté par un symbole composé d'une lettre majuscule (ex: élément iode I) ou d'une majuscule suivi d'une minuscule (ex: élément magnésium Mg).

Voici une première liste des éléments les plus fréquemment rencontrés en chimie à notre niveau:

Nom	Z	Symbole	Nom	Z	Symbole
Hydrogène	1	H	Soufre	16	S
Carbone	6	C	Chlore	17	Cl
Azote	7	N	Fer	26	Fe
Oxygène	8	O	Cuivre	29	Cu
Fluor	9	F	Zinc	30	Zn
Sodium	11	Na	Brome	35	Br
Aluminium	13	Al	Argent	47	Ag

Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de Z correspondant à chaque élément.