L'Atome
Structure, électrons, noyau et modèles atomiques
Qu'est-ce qu'un atome ?
L'atome est la plus petite unité de matière qui conserve les propriétés chimiques d'un élément. Son nom vient du grec atomos (« indivisible »), bien qu'on sache aujourd'hui qu'il est composé de particules encore plus petites : les protons, les neutrons et les électrons.
Un atome mesure environ 10⁻¹⁰ m (1 ångström), soit 0,1 nanomètre. Le noyau, lui, est 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même : si l'atome avait la taille d'un stade de football, le noyau serait une bille posée au centre.
💡 Ordre de grandeur
Un cheveu humain a un diamètre d'environ 80 000 nm, soit environ 800 000 atomes alignés côte à côte !
Le noyau atomique
Le noyau est au centre de l'atome. Il contient deux types de particules appelées nucléons :
Protons (p⁺)
- • Charge électrique : +e (positive)
- • Masse : 1,673 × 10⁻²⁷ kg
- • Le nombre de protons = numéro atomique Z
- • Définit l'identité de l'élément chimique
Neutrons (n⁰)
- • Charge électrique : 0 (neutre)
- • Masse : 1,675 × 10⁻²⁷ kg (≈ celle du proton)
- • Nombre de masse A = Z + N
- • Des atomes de même Z mais de N différent sont des isotopes
📝 Notation symbolique
Un atome se note ᴬ_Z X. Par exemple, le carbone-12 : ¹²₆C possède 6 protons et 6 neutrons. L'oxygène-16 : ¹⁶₈O possède 8 protons et 8 neutrons.
Les électrons
Les électrons (e⁻) gravitent autour du noyau dans des zones appelées couches électroniques(ou niveaux d'énergie). Ils sont responsables des liaisons chimiques et des propriétés chimiques de l'élément.
Caractéristiques de l'électron
- • Charge : −e = −1,602 × 10⁻¹⁹ C
- • Masse : 9,109 × 10⁻³¹ kg (≈ 1/1836 de la masse du proton)
- • Dans un atome neutre : nombre d'électrons = nombre de protons (Z)
Couches électroniques
Les électrons se répartissent sur des couches notées K, L, M, N... (ou n = 1, 2, 3, 4...). Chaque couche peut accueillir un nombre maximal d'électrons : 2n².
| Couche | n | Capacité max (2n²) | Sous-couches |
|---|---|---|---|
| K | 1 | 2 | 1s |
| L | 2 | 8 | 2s, 2p |
| M | 3 | 18 | 3s, 3p, 3d |
| N | 4 | 32 | 4s, 4p, 4d, 4f |
Exemple : le sodium (Na, Z=11) a la configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹, soit (K)² (L)⁸ (M)¹.
Les modèles atomiques à travers l'histoire
Démocrite (≈ 400 av. J.-C.)
Premier à imaginer que la matière est constituée de particules indivisibles : les « atomes ».
Dalton (1803)
Propose que chaque élément est composé d'atomes identiques, et que les composés résultent de combinaisons d'atomes en proportions définies.
Thomson (1897) — Modèle du « pudding »
Découvre l'électron. Imagine l'atome comme une sphère de charge positive dans laquelle sont incrustés des électrons négatifs, comme des raisins dans un pudding.
Rutherford (1911) — Modèle planétaire
Grâce à l'expérience de la feuille d'or, il découvre que l'atome est essentiellement vide avec un noyau dense et positif au centre. Les électrons orbitent autour.
Bohr (1913) — Modèle quantifié
Les électrons ne peuvent occuper que des orbites bien définies (niveaux d'énergie). Ils émettent ou absorbent de la lumière en changeant de niveau. Ce modèle explique le spectre de l'hydrogène.
Schrödinger (1926) — Modèle quantique
L'électron n'a pas de trajectoire définie. On ne peut que calculer la probabilité de présence dans une zone appelée orbitale. C'est le modèle actuel.
Ions et isotopes
Les ions
Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons :
- • Cation (+) : perte d'électrons → Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺
- • Anion (−) : gain d'électrons → Cl⁻, O²⁻, S²⁻
- • L'ion Na⁺ : 11 protons mais seulement 10 électrons
Les isotopes
Des isotopes sont des atomes d'un même élément (même Z) avec un nombre de neutrons différent :
- • Carbone-12 (⁶C) : 6p + 6n — stable, le plus courant
- • Carbone-14 (⁶C) : 6p + 8n — radioactif, datation
- • Hydrogène : ¹H (protium), ²H (deutérium), ³H (tritium)
