Thème Santé Chapitre 1 : Des atomes aux ions Chapitre 1

2^nde Thème Santé

Chapitre 1 : Des atomes aux ions ^{Chapitre 1} On sait depuis le collège que la matière est constituée de molécules, elles mêmes constituées d'un assemblage d'atomes. Déterminons la composition et la structure des atomes.

I) Quelle est la structure des atomes ? Voir TP 1 La structure de l'atome I-1) Le modèle actuel de l'atome :

Un atome est constitué d'un noyau, chargé positivement et dans lequel est concentrée la quasi totalité de la matière, entouré par un nuage électronique contenant des électrons se déplaçant selon une trajectoire inconnue. Les électrons sont porteurs d'une charge électrique négative, ce qui fait qu'un atome est électriquement neutre. Il contient donc autant d'électrons dans son nuage électronique que de charges positives dans son noyau. Entre le noyau et les électrons il n'y a que du vide, on dit que l'atome a une structure lacunaire.

Dans le modèle actuel de l'atome, il n'est pas possible de déterminer la trajectoire d'un électron.

On peut seulement calculer des probabilités de présence.

Quelques exemples d'atomes : (l'échelle n'est pas respectée)

I-2) Le noyau de l'atome :

Voir TP1-B Les constituants de l'atome a) Les particules du noyau :

Le noyau d'un atome possède plusieurs particules. Ces particules sont appelées des nucléons (comme « nucléaire » qui vient de noyau).

Il existe deux types de nucléons :

Le proton porte une charge électrique élémentaire positive. Le neutron est neutre.

b) La représentation symbolique du noyau :

Les atomes sont représentés par des symboles chimiques : C pour l'atome de carbone, H pour l'atome d'hydrogène, O pour l'atome d'oxygène etc...

Les noyaux des atomes se distinguent par le nombre de particules (protons et neutrons) qui les

1+ 8+ 13+

L'atome d'hydrogène est le plus simple : il compte 1électron dans le nuage électronique.

L'atome d'oxygène compte 8 électrons

dans son nuage électronique L'atome d'aluminium compte 13 électrons dans son nuage électronique

électrons

C est le symbole du Coulomb, l'unité de charge électrique.

On définit le numéro atomique comme étant le nombre de protons contenus dans noyau. Il est noté Z.

Le nombre de nucléons (protons + neutrons) est noté A.

Un noyau est donc constitué de A nucléons, soit Z protons et A-Z neutrons.

Pour représenter de façon symbolique un noyau, on utilise le symbole chimique de l'atome auquel on ajoute en haut à gauche le nombre A de nucléons et en bas à gauche le numéro atomique Z.

Soit pour un atome de symbole X, on écrit _Z^AX

II-3) La masse d'un atome :

La masse d'un atome (matome) est égale à la somme des masses des particules qui le constituent, donc la masse des électrons (me-), des protons (mp), et des neutrons (mn).

La formule qui permet de calculer la masse d'un atome en fonction de A, Z, me-, mp, mn. m_atome=Z×m_electron+Z×m_proton+(A−Z)×m_neutron=Z×(m_electron+m_proton)+(A−Z)×m_neutron

Dans le paragraphe a, nous avons démontré que la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons puisque la quasi-totalité de la masse de l'atome est concentrée dans son noyau. On définit alors la masse approchée de l'atome qui est égale à la masse de son noyau, soit : m_atome≈Z×m_p+(A−Z)×m_n

Exercice : calculer la masse approchée de l'atome d'oxygène : ¹⁶₈ ^O .

m_atome=8×1,673×10⁻²⁷+(16−8)×1,675×10⁻²⁷=2,678×10⁻²⁶ kg

II-4) Le nuage électronique :

Dans un atome, les électrons se déplacent autour du noyau et forment ce que l'on appelle le nuage électronique. L'électron porte une charge électrique élémentaire négative -e =

−1,6×10⁻¹⁹ C.

La répartition des électrons dans le nuage électronique n'est pas homogène. S'il est impossible de déterminer leurs trajectoire, dans un modèle simplifié, on peut considérer qu'ils se concentrent dans des couches, appelées couches électroniques.

Trois couches électroniques suffisent pour répartir les électrons des atomes étudiés au lycée.

Elles sont repérées par des lettres K, L et M en sachant que K est la couche la plus proche du noyau et M la plus éloignée. Chaque couche ne peut contenir qu'un nombre limité d'électrons et lorsqu'une couche contient son nombre maximal d'électrons on dit qu'elle est saturée.

Couche K L M

Nombre maximal d'électrons 2 8 18

Donner la structure électronique d'un atome, c'est indiquer le nombre d'électrons présents sur chacune des couches, sachant que les couches électroniques se remplissent de la couche la plus proche (K) à la couche la plus éloignée (M). Pour écrire la structure électronique d'un atome on indique entre parenthèses la lettre de la couche et en exposant le nombre d'électrons qu'elle contient.

Exemples : 1

1H (K)¹ ; 4

2He (K)² ; 7

3Li (K)² (L)¹ ; ¹⁶₈ ^O (K)² (L)⁶ ; 24

12Mg (K)² (L)⁸ (M)² 34

16S (K)² (L)⁸ (M)⁶ ; 40

18Ar (K)² (L)⁸ (M)⁸

II-5) Les isotopes :

Des entités (atomes ou ions monoatomiques) ayant le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents sont appelés des isotopes. Ils ont donc le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Ils sont représentés par le même symbole chimique.

Deux isotopes peuvent donc être des atomes ou bien des ions issus du même élément chimique.

Exemple : L'atome d'uranium compte deux isotopes :

• 238

92 U : l'uranium 238 contient 238 nucléons dont 92 protons, il est peu fissile

• 235

92 U : l'uranium 235 contient 235 nucléons dont 92 protons, il est très fissile.

Deux isotopes n'ont donc pas les mêmes propriétés physiques.

II) Les ions : présence et formation :

II-1) Comment identifier la présence des ions ? Voir TP 2 : Les tests de reconnaissance des ions II-2) Comment se forme un ion ?

Activité : Formation des anions monoatomiques : (ions négatifs)

Le schéma ci-dessous montre le passage d'un atome de chlore à un anion chlorure

a- Combien y a-t-il d'électrons dans l'atome de chlore ? 17

b En déduire la charge totale du nuage électronique dans l'atome de chlore ?

- 17 e car chaque électron porte une charge électrique élémentaire négative (-e)

c- Quelle est la charge totale de l'atome de chlore ?

Le noyau a +17 e et le nuage électronique – 17 e. Au bilan, la charge totale de l'atome est de 0e (il est neutre)

d- Combien y a-t-il d'électrons dans l'ion chlorure ? En déduire la charge totale du nuage électronique dans l'ion chlorure

Atome de chlore (Cl)

Ion chlorure (Cl

)

Gagne 1 électron

+17e

électron noyau

+17e

e- Quelle est la charge du noyau de l'ion chlorure ? Pourquoi ? + 17e car on ne touche jamais au noyau en chimie

f- Quelle est la charge totale de l'ion chlorure ?

Le noyau a +17 e et le nuage électronique – 18 e. Au bilan, la charge totale de l'atome est de -1e (il est négatif)

Conclusion :

Les anions monoatomiques proviennent d’un atome ayant gagné un ou plusieurs électrons.

Formation des cations monoatomiques : (ions positifs)

Les cations monoatomiques proviennent d’un atome ayant perdu un ou plusieurs électrons.

a Combien y a-t-il d'électrons dans l'atome de magnésium ? 12

b En déduire la charge totale du nuage électronique dans l'atome de magnésium ?

- 12 e car chaque électron porte une charge électrique élémentaire négative (-e)

c- Quelle est la charge totale de l'atome de magnésium ?

Le noyau a +12 e et le nuage électronique – 12 e. Au bilan, la charge totale de l'atome est de 0e (il est neutre)

d- Combien y a-t-il d'électrons dans l'ion magnésium ? En déduire la charge totale du nuage électronique dans l'ion magnésium

10 électrons donc – 10 e

e- Quelle est la charge du noyau de l'ion magnésium ? Pourquoi ? + 12 e car on ne touche jamais au noyau en chimie

f- Quelle est la charge totale de l'ion magnésium ?

Le noyau a +12 e et le nuage électronique – 10 e. Au bilan, la charge totale de l'atome est de + 2e (il est positif)

Atome de magnésium (Mg)

Ion magnésium (Mg

)

Perte de 2 électrons

+12e

électron noyau

Conclusion :

Un ion monoatomique est formé par un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

Un atome X se transforme en ion Xⁿ⁺ en perdant n électrons.

Un atome X se tranforme en ion X^n- en gagnant n électrons.

II-3) La règle du duet et de l'octet :

Comment expliquer la formation des ions monoatomique?

Prenons l'exemple de l'atome de fluor (Z=9). Il a tendance à gagner un électron pour devenir l'ion fluorure (F^-). En effet l'ion chlorure est stable contrairement a l'atome de chlore.

Écrivons les configurations électronique de l'atome de fluor et l'ion flurorure : F : (K)² (L)⁷

F^- : (K)² (L)⁸

On constate alors que l'ion fluorure a sa couche externe (la couche L) qui contient 8 électrons.

Ce sont ces configurations électroniques qui expliquent l'instabilité de l'atome de fluor et la formation de l'ion fluorure. En effet l'atome de fluor cherche à acquérir la configuration électronique d'un atome stable.

En chimie deux règles permettent de comprendre la stabilité des atomes et la formation des ions : les règles du duet et de l'octet.

Énoncé des règles :

Règle du duet : Un atome est stable si la couche K correspond à la couche externe et comporte deux électrons.

Règle de l'octet : un atome est stable si la couche L ou la couche M correspond à la couche externe et comporte huit électrons.

Ces deux règles permettent de repérer les atomes qui, sous forme de corps simple, sont stables, n'interviennent pas dans les transformations chimiques et ne donnent pas naissance à des ions. C'est le cas de l'hélium (dont la couche externe est (K)²) et du néon (de couche externe (L)⁸).

Ces règles permettent de prévoir les ions qui peuvent se former à partir d'un atome. En effet, la formation d'un ion suit un principe simple : il se forme de préférence l'ion le plus stable, c'est à dire qui a comme couche électronique externe (K)² ou (L)⁸ ou (M)⁸. Lors d'une transformation en ion, un atome perd ou gagne donc les électrons qui lui permettent d'obtenir l'une des couches externe précédente.

Exercice : Pour chacun des atomes ci après, indiquer si l'atome est stable et dans le cas contraire quel ion il va former. L'atome d'argon Ar (Z = 18) ; l'atome de chlore Cl (Z = 17) ; l'atome de soufre S (Z = 16) ; l'atome de sodium Na (Z = 11) ; l'atome de magnésium Mg (Z = 12) ; l'atome de béryllium Be (Z = 4)

Correction :

• atome d'argon : sa configuration électronique est (K)² (L)⁸ (M)⁸ . Sa couche externe est M et elle contient 8 électrons donc d'après la règle de l'octet cet atome est stable.

• Atome de chlore : sa configuration électronique est (K)² (L)⁸ (M)⁷ . Sa couche externe est M et elle contient 7 électrons donc d'après la règle de l'octet cet atome est instable et va capter un électron et former l'ion chlorure Cl^- pour acquérir la configuration électronique (K)² (L)⁸ (M)⁸ et avoir 8 électrons dans la couche M.

• atome de soufre : sa configuration électronique est (K)² (L)⁸ (M)⁶. L'atome est instable et doit capter 2 électrons pour avoir 8 électrons sur sa couche externe M. Il devient l'ion sulfure S^2-.

• Atome de sodium : sa configuration électronique est (K)² (L)⁸ (M)¹. L'atome est instable et doit

• Atome de magnésium : sa configuration électronique est (K)² (L)⁸ (M)². L'atome est instable et doit perdre 2 électrons pour que sa couche externe L contienne 8 électrons. Il devient l'ion magnésium Mg²⁺.

• Atome de béryllium : sa configuration électronique est (K)² (L)². L'atome est instable et doit perdre 2 électrons pour que sa couche externe K contienne 2 électrons. Il devient l'ion beryllium Be²⁺.