De l'atome aux éléments chimiques

Un élément chimique peut se trouver dans différentes entités chimiques : atome, ions, molécules. Connaître la constitution d’un atome permet de comprendre ce qui caractérise un élément chimique.

I Structure et caractéristiques de l’atome

L’atome est constitué d’un noyau central autour duquel gravitent des électrons constituant un nuage électronique.

Le noyau d’un atome, chargé positivement, est constitué de protons et de neutrons, appelés nucléons. Les protons et neutrons ont des masses peu différentes : $m_{\text{proton}}\approx m_{\text{neutron}}\approx \mathrm{1,67}\times {10}^{-27}\text{kg}$. Les neutrons sont électriquement neutres, tandis que les protons portent une charge électrique positive qproton appelée charge élémentaire et notée e : qproton = e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C (Le coulomb (C) est l’unité de charge électrique).

On symbolise le noyau d’un atome ainsi :

Les électrons ont une masse de 9,11 × 10⁻³¹ kg soit environ 2 000 fois plus petite que celle d’un nucléon et portent une charge électrique élémentaire négative opposée à la charge du proton. : qélectron = − e = − 1,6 × 10⁻¹⁹ C (qélectron = − qproton).

Un atome est électriquement neutre car il contient autant de protons dans son noyau que d’électrons dans son nuage électronique.

La masse d’un atome est quasiment égale à celle de son noyau :

matome = A × mnucléon car : mélectron << mnucléon.

Le diamètre de l’atome est de l’ordre de ${10}^{-10}m$, alors que celui du noyau est de l’ordre de ${10}^{-\text{15}}m$ : le noyau est donc environ $\text{100 000}$ fois plus petit.

II Élément chimique

Repère
À noter

Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, il forme un ion monoatomique : Cu²⁺ a perdu 2 électrons (29 protons et 27 électrons).

Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z et représenté par son symbole chimique : une majuscule suivie éventuellement d’une minuscule.

Des entités (atomes, ions) ayant le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents sont appelés isotopes. Ils diffèrent par leur nombre de neutrons. Exemples : $\text{C}_{29}^{}{\text{u}}^{2+}$ ; ${}_{\text{29}}^{63}\text{Cu}$ et ${}_{\text{29}}^{65}\text{Cu}$.

MéthodeUtiliser le symbole $\text{X}_Z^A$ et calculer la masse d’un atome

a. Détailler la composition d’un atome d’aluminium dont le noyau est symbolisé par ${}_{13}^{27}\text{Al}$.

b. Calculer le rapport des masses d’un nucléon et d’un électron, puis conclure.

c. Calculer la masse d’un atome d’aluminium ${}_{13}^{27}\text{Al}$.

d. Dans cette liste :

$\text{X}_8^{17} ;\text{X}_6^{14};\text{X}_7^{14};\text{X}_7^{17}$, combien y a-t-il d’éléments chimiques ?

Repère
Conseils

a. Dénombrez le nombre de protons, de neutrons et d’électrons.

b. Calculez en utilisant les propriétés des puissances de 10 : $\frac{{10}^a}{{10}^b}={10}^{a-b}$.

c. Tenez compte du résultat précédent !

d. Par quoi reconnaît-on un même élément chimique ?

Solution

a. Al est le symbole de l’aluminium. Son noyau contient A = $\text{27}$ nucléons, et Z = $\text{13}$ protons soit A − Z = $27-13=14$ neutrons.

L’atome est neutre, il possède donc autant de protons que d’électrons ($\text{13}$ électrons) puisque qélectron = − qproton.

b. En reprenant les valeurs données page précédente :

$\frac{m_{\text{nucléon}}}{m_{\text{électron}}}=\frac{\mathrm{1,67}\times {10}^{-27}}{\mathrm{9,11}\times {10}^{-31}}=\mathrm{1,83}\times {10}^{3 }$. Le proton et le neutron sont 1 830 fois plus lourds que l’électron. On peut donc négliger la masse des électrons devant celle des nucléons.

c. Pour un atome possédant $Z$ protons, $(A-Z)$ neutrons et $Z$ électrons :

$m_{\text{atome}}=Z\times m_{\text{proton}}+\left(A-Z\right)\times m_{\text{neutron }}+Z\times m_{\text{électron}}$. On vient de montrer que la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons :

$m_{atome}=Z\times m_{proton}+(A-Z)\times m_{neutron}$ et mproton ≈ mneutron d’où :

$m_{\text{atome}}=A\times m_{\text{nucléon}}$.

La masse d’un atome d’aluminium de noyau ${}_{13}^{27}\text{Al}$ est : $m_{\text{atome}}=27\times m_{\text{nucléon}}$ soit : matome = $27\times \mathrm{1,67}\times {10}^{-27}=\mathrm{4,51}\times {10}^{-26}$ kg.

d. Le numéro atomique $Z$ caractérise l’élément chimique. Il y a donc trois éléments chimiques dans la liste.

• $\text{X}_7^{14}\text{et}\text{X}_7^{17}$ sont deux isotopes d’un même élément avec Z = 7.

• $\text{X}_8^{17}$ correspond à un autre élément puisque Z = 8.

• Le troisième élément est $\text{X}_6^{14}$ avec Z = 6.