L’atome
Seconde physique-chimie • Composition • Notation A/Z/X • Particules élémentaires • Isotopes • Structure électronique • Classification périodique • Stabilité • Ions monoatomiques
📌 Aller à la fiche bilan ⚛️ Exercices contextualisés 🎓 Partie type bac / évaluation 🧲 Ions monoatomiques
Objectifs du chapitre
Ce cours reprend les phrases du cahier comme base : composition de l’atome, notation symbolique, particules élémentaires, isotopes, structure électronique, classification périodique, règle du duet et de l’octet, stabilité et formation des ions monoatomiques.
Comprendre
La composition d’un atome : noyau, protons, neutrons, électrons.
Calculer
Nombre de protons, neutrons, électrons à partir de A et Z.
Prévoir
Structure électronique, famille, période et ion monoatomique stable.
I. Composition d’un atome
Les atomes sont les briques de la matière.
Toute la matière est composée d’atomes.
Il en existe aujourd’hui à peu près 200 différents. On les appelle également « éléments ».
Représentation et symbole d’un atome
- X : symbole de l’élément, 1 à 2 lettres. Exemple : carbone C, plomb Pb.
- A : nombre de masse.
- Z : numéro atomique.
C’est Z qui caractérise un élément.
Exemple : Z = 8, c’est l’oxygène.
Modèle de l’atome
Modèle du collège : atome = 1 noyau positif avec des électrons négatifs qui tournent autour.
Modèle de seconde : le noyau d’un atome est constitué de protons (+) et de neutrons.
Toute la matière est composée de 3 particules élémentaires : protons, neutrons, électrons.
II. Caractéristiques des particules élémentaires
| Proton | Neutron | Électron | |
|---|---|---|---|
| m masse | 1,67 × 10⁻²⁷ kg | 1,67 × 10⁻²⁷ kg | 9,1 × 10⁻³¹ kg |
| q charge électrique | +1,6 × 10⁻¹⁹ C | 0 | −1,6 × 10⁻¹⁹ C |
On remarque que :
Les charges électriques :
Toute charge électrique sera un multiple de e : charge élémentaire.
L’atome est neutre :
Donc s’il y a Z protons (+) dans le noyau, il faudra Z électrons (−) pour les neutraliser.
Les masses :
On peut négliger la masse des électrons.
A : nombre de masse correspond au nombre de protons et de neutrons.
Protons et neutrons sont appelés des nucléons, car ils sont dans le noyau.
Nombre de protons
Nombre d’électrons pour un atome neutre
Nombre de neutrons
Exercice type — Donner la composition d’un atome
Donner la composition des atomes suivants : 126C, 168O, 3517Cl, 2311Na.
Méthode :
- Z donne le nombre de protons.
- Comme l’atome est neutre, il y a Z électrons.
- Le nombre de neutrons vaut A − Z.
| Atome | Protons | Électrons | Neutrons |
|---|---|---|---|
| 126C | 6 | 6 | 12 − 6 = 6 |
| 168O | 8 | 8 | 16 − 8 = 8 |
| 3517Cl | 17 | 17 | 35 − 17 = 18 |
| 2311Na | 11 | 11 | 23 − 11 = 12 |
III. Isotopes
Définition : 2 isotopes sont 2 atomes qui possèdent le même Z, donc le même nombre de protons, mais A différent.
Exemple : 126C et 146C.
Voilà pourquoi dans le tableau périodique on trouve par exemple Cl = 35,5.
Dans la nature, il existe environ 75 % de 3517Cl et 25 % de 3717Cl.
35,5 est une valeur moyenne : on ne peut pas avoir 0,5 neutron.
Exercice type — Reconnaître des isotopes
Les atomes 3517Cl et 3717Cl sont-ils isotopes ?
Correction :
Ils ont le même Z = 17, donc le même nombre de protons. Leur A est différent : 35 et 37.
Ce sont des isotopes.
IV. Structure électronique de l’atome
Comment sont rangés les électrons ?
Les électrons sont rangés sur des couches.
| Couche | Nombre maximal d’électrons |
|---|---|
| K | 2 e⁻ au maximum |
| L | 8 e⁻ au maximum |
| M | 8 e⁻ au maximum en seconde |
| N | 18 e⁻ au maximum hors programme approfondi |
On remplit les couches dans l’ordre.
La dernière couche occupée, ou couche externe, est appelée couche de valence.
Le chlore, de structure K² L⁸ M⁷, possède 7 électrons de valence.
Ce sont les électrons de valence qui permettront à l’atome de former des liaisons avec d’autres atomes.
Exercice type — Structure électronique et électrons de valence
Pour les atomes suivants, donner la structure électronique et le nombre d’électrons de valence : 126C, 4018Ar, 3115P, 2311Na.
| Atome | Z | Nombre d’électrons | Structure électronique | Électrons de valence |
|---|---|---|---|---|
| C | 6 | 6 | K² L⁴ | 4 |
| Ar | 18 | 18 | K² L⁸ M⁸ | 8 |
| P | 15 | 15 | K² L⁸ M⁵ | 5 |
| Na | 11 | 11 | K² L⁸ M¹ | 1 |
V. Classification périodique
Dans la classification périodique, les éléments sont classés par familles, colonnes, et par périodes, lignes.
Historiquement, c’est Mendeleïev en 1869 qui a commencé à classer les éléments par famille et par période.
Il a rassemblé les atomes qui pouvaient former des molécules similaires.
Aujourd’hui, on sait que les familles sont liées au nombre d’électrons de valence.
Lien entre position et structure électronique :
- Le nombre de couches occupées définit le numéro de la ligne, ou période.
- Le nombre d’électrons de valence définit le numéro de la famille, ou colonne.
Exemple : K² L⁸ M¹ → 3 couches, donc 3ème période ; 1 électron de valence, donc 1ère colonne.
3 familles à connaître
- La 1ère famille : H, Li, Na… famille des alcalins, très utilisés dans les piles.
- La 17ème famille : F, Cl, I… famille des halogènes, utilisés dans certaines ampoules.
- La 18ème famille : He, Ne, Ar… famille des gaz nobles.
VI. Stabilité de l’atome : règle de l’octet et du duet
Le chlore, K² L⁸ M⁷, et l’oxygène, K² L⁶, ne sont pas stables car la couche de valence n’est pas pleine.
Les seuls éléments stables à l’état d’atome sont les gaz nobles, 18ème colonne, car ils possèdent une couche de valence pleine.
He
Stable car K².
Respecte le duet.
Ne
Stable car K² L⁸.
Respecte l’octet.
Ar
Stable car K² L⁸ M⁸.
Respecte l’octet.
Pour qu’un élément soit stable, il va devoir perdre ou gagner un ou plusieurs électrons pour obtenir une couche de valence pleine.
Deux règles
Règle du duet
Pour les éléments tels que Z < 4.
Un élément est stable lorsqu’il a une structure en K², comme l’hélium He.
Règle de l’octet
Pour les éléments tels que Z ≥ 4.
Un élément est stable lorsqu’il a une structure en K² L⁸ ou K² L⁸ M⁸.
Résumé : règle de la couche pleine
Lorsqu’un atome gagne un ou plusieurs électrons, il forme un ion monoatomique négatif : Xⁿ⁻.
Lorsqu’un atome perd un ou plusieurs électrons, il forme un ion monoatomique positif : Xⁿ⁺.
VII. Ions monoatomiques : exercices d’application
Trouver les ions monoatomiques stables pour les éléments des trois premières lignes du tableau.
Préciser : structure électronique de l’atome, règle utilisée, ion monoatomique stable, structure de l’ion.
Exemple guidé — Lithium
Li → K² L¹ : pas stable.
Il doit perdre 1 e⁻ pour être stable et respecter la règle du duet.
Li⁺ → K² : stable.
Autre possibilité : il devrait gagner 7 e⁻ pour respecter l’octet, mais ce n’est pas la solution la plus simple.
| Atome | Structure de l’atome | Stabilité recherchée | Ion stable | Structure de l’ion |
|---|---|---|---|---|
| He | K² | Déjà stable | pas d’ion monoatomique | K² |
| Li | K² L¹ | perd 1 e⁻ | Li⁺ | K² |
| Be | K² L² | perd 2 e⁻ | Be²⁺ | K² |
| B | K² L³ | perd 3 e⁻ plus simple que gagner 5 e⁻ | B³⁺ | K² |
| C | K² L⁴ | peut gagner 4 e⁻ ou perdre 4 e⁻ | C⁴⁻ ou C⁴⁺ en modèle simplifié | K² L⁸ ou K² |
| N | K² L⁵ | gagne 3 e⁻ | N³⁻ | K² L⁸ |
| O | K² L⁶ | gagne 2 e⁻ | O²⁻ | K² L⁸ |
| F | K² L⁷ | gagne 1 e⁻ | F⁻ | K² L⁸ |
| Ne | K² L⁸ | Déjà stable | pas d’ion monoatomique | K² L⁸ |
VIII. Exercices contextualisés
1. Sel de cuisine et sodium
Le sodium a pour numéro atomique Z = 11.
- Donner le nombre d’électrons de l’atome de sodium.
- Donner sa structure électronique.
- Dire combien il possède d’électrons de valence.
- Déterminer l’ion stable formé.
Correction :
L’atome est neutre, donc il possède 11 électrons.
Structure électronique : K² L⁸ M¹.
Il possède 1 électron de valence.
Il perd 1 électron pour obtenir K² L⁸.
Il forme l’ion Na⁺.
2. Chlore dans l’eau de piscine
Le chlore a pour numéro atomique Z = 17.
- Écrire sa structure électronique.
- Donner son nombre d’électrons de valence.
- Déterminer l’ion monoatomique stable.
Correction :
Structure électronique : K² L⁸ M⁷.
Il possède 7 électrons de valence.
Il gagne 1 électron pour respecter la règle de l’octet.
Il forme l’ion Cl⁻, de structure K² L⁸ M⁸.
3. Argon dans une ampoule
L’argon a pour structure électronique K² L⁸ M⁸.
- Est-il stable ?
- À quelle famille appartient-il ?
- Explique pourquoi il ne forme pas facilement d’ion monoatomique.
Correction :
L’argon a une couche externe pleine. Il est donc stable.
Il appartient à la famille des gaz nobles.
Il ne forme pas facilement d’ion car il respecte déjà la règle de l’octet.
IX. Partie type bac / évaluation — niveau seconde
Situation 1 — Identifier la composition d’un isotope
On considère l’atome 3717Cl.
- Donner le nombre de protons.
- Donner le nombre d’électrons de l’atome neutre.
- Calculer le nombre de neutrons.
- Comparer avec 3517Cl : ces deux atomes sont-ils isotopes ?
Correction :
Z = 17, donc il y a 17 protons.
L’atome est neutre, donc il y a 17 électrons.
Nombre de neutrons : A − Z = 37 − 17 = 20.
Les deux atomes ont le même Z mais des A différents.
Ce sont des isotopes.
Situation 2 — Prévoir un ion stable
L’oxygène a pour numéro atomique Z = 8.
- Écrire la structure électronique de l’atome d’oxygène.
- Combien possède-t-il d’électrons de valence ?
- Quel ion monoatomique stable peut-il former ?
- Quelle règle utilise-t-il ?
Correction :
L’atome neutre possède 8 électrons.
Structure électronique : K² L⁶.
Il possède 6 électrons de valence.
Il doit gagner 2 électrons pour obtenir K² L⁸.
Il forme O²⁻ et respecte la règle de l’octet.
📌 Fiche bilan — L’atome
Atome
Brique de la matière.
Toute la matière est composée d’atomes.
Notation
X symbole, A nombre de masse, Z numéro atomique.
Noyau
Constitué de protons et de neutrons.
Particules
Protons +, neutrons 0, électrons −.
Atome neutre
Z protons et Z électrons.
Neutrons
Isotopes
Même Z, A différent.
Structure électronique
K puis L puis M.
K², L⁸, M⁸ en seconde.
Valence
Dernière couche occupée.
Classification
Périodes = lignes ; familles = colonnes.
Stabilité
Gaz nobles stables car couche de valence pleine.
Ions monoatomiques
Gagner e⁻ → ion négatif ; perdre e⁻ → ion positif.
Carte mentale
Composition
Noyau : protons + neutrons ; électrons autour.
Notation
A, Z, X ; Z caractérise l’élément.
Calculer
Protons = Z ; électrons = Z ; neutrons = A − Z.
Isotopes
Même Z, A différent.
Structure électronique
Couches K, L, M ; couche de valence.
Stabilité
Duet, octet, ions monoatomiques.