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Titre, structure de la matière.

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ATOMES & ÉLÉMENTS CHIMIQUES

Comme nous l'avons vu sur la page structure de la matière, l'atome est un assemblage de trois sortes de particules :

  • Les protons qui ont une charge électrique positive.

  • Les neutrons qui n'ont pas de charge électrique. 

  • Les électrons dont la charge électrique est négative et égale en valeur absolue à celle des protons. Il y a autant d'électrons que de protons dans son noyau c'est pourquoi un atome est électriquement neutre.

Protons et neutrons forment le noyau, les électrons gravitent autour du noyau à des vitesses prodigieuses d'environ 7.1015 (sept millions de milliards) de révolutions par seconde. Cet ensemble de neutrons en orbite autour du noyau forme ce que l'on appelle le nuage électronique.

Définitions importante à retenir :

Ion : atome ou molécule ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, on distingue donc deux types d'ions :

  • Anion  : atome ou molécule ayant gagné un ou plusieurs électrons, la charge est alors négative.

  • Cation : atome ou molécule ayant perdu un ou plusieurs électrons, la charge est alors positive.

 

Structure de 2 atomes, hydrogène et oxygène

La structure de 2 atomes, hydrogène et oxygène.

Les neutrons et les protons ont des masses pratiquement identiques, les électrons ayant une masse 2 000 fois moindre que les protons et les neutrons, la somme des protons et neutrons "nombre de masse" d'un noyau est donc sensiblement égale au "poids atomique".

Titre, la taille d'un atome...
Dimention d'un atome dont le noyau ferait 1 cm.
Tableau des rayons en angstoëm des éléments chimiques naturels

Les atomes sont très petits mais leurs noyaux sont encore infiniment plus petits, l'atome est environ 10 000 fois plus gros que son noyau où se trouve pratiquement toute sa masse.

Diamètre d'un atome moyen

 1,5 angström = 0,15 nanomètre = 15^-10 mètre

Le plus petit et le plus grand :

  • 0,53           Hydrogène H 

  • 2, 98          Césium Cs

Rayon en angström des éléments chimiques naturels

Un exemple comparatif...

Schéma comparatif des ions des silicates

NOMBRE DE MASSE ET NUMÉRO ATOMIQUE

Le nombre de masse représente la masse de l'atome qui est fonction de la quantité de nucléons (neutrons et protons). La masse est concentrée dans le noyau de l'atome.

 

Le numéro atomique représente la quantité d'électrons qui gravitent autour du noyau. C'est la quantité, et la répartition des couches d'orbitales qui déterminent les propriétés électriques d’un l'atome, capacité de libérer ou recevoir des électrons dans la couche périphérique.

Le numéro atomique Z définit la quantité de charges électroniques dans un atome :

  • Z charges négatives des électrons

  • Z charges positives des protons.

Une même quantité de protons et d’électron équilibre un atome on dit qu’il est neutre.

Si un atome perd des électrons, il devient un cation, un  ion positif

Si un atome reçoit des électrons, il devient un anion, un  ion négatif

ISOTOPES

L'isotope est une variété d'un élément chimique qui comporte plus ou moins de neutrons que l'élément type. Comme il contient la même quantité de protons et d'électrons il est électriquement neutre.

Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques, ils n'ont pas les mêmes propriétés physiques.

 

Exemples : hydrogène 1 proton 0 neutron, deutérium 1 proton et 1 neutron, tritium 1 proton et 3 neutrons.

 

 

 

 
 
 
Isotopes de l'hydrogène

Autre exemples...

Isotope ; carbone 12 et carbone 14
ISOTOPE

Dans un article publié en décembre 1913 dans la revue Nature, le chimiste anglais Frederick Soddy (1877-1956) propose d'appeler « isotopes » les différentes variétés d'un élément chimique, car elles occupent la « même place » dans le tableau périodique de Mendeleïev. Depuis plusieurs années, Soddy enseigne à l'université de Glasgow en Écosse, après avoir servi de démonstrateur de chimie à l'université McGill de Montréal sous la direction d'Ernest Rutherford. Il étudie en détail la chimie des corps radioactifs transitoires obtenus lors de désintégrations, corps qu'il appelait avec Rutherford des « métabolons ». En 1911, il avait déjà noté que « l'identité complète de l'ionium, du thorium et du radiothorium » était si bien établie qu'il lui semblait inévitable de devoir conclure qu'on n'était pas en présence « de simples analogues chimiques, mais d'identités chimiques ». Ce n'était pas le seul cas observé, et Soddy notait aussi que le radium D, issu de la désintégration du radium, a toutes les caractéristiques chimiques du plomb. Il en conclut alors qu'il faut envisager le cas d'une « complète identité chimique entre des éléments de poids atomiques probablement différents », ce qui est en opposition apparente avec la table des éléments, qui les classe par ordre de poids atomiques croissants.
Soddy insiste également sur le fait que cette propriété n'est sans doute pas réservée aux éléments radioactifs ou à leurs produits de désintégration, même si elle apparaît plus simplement dans ce cas. Il rejoint ainsi le chimiste William Crookes qui, dès 1886, avait spéculé que bien que « la majorité des atomes de calcium ont un poids atomique de 40, il y en a quelques-uns qui sont représentés par 39 ou 41, un nombre moindre par 38 et 42, et ainsi de suite ». Soddy recevra le prix Nobel de chimie en 1921 « pour ses recherches sur l'origine et la nature des isotopes ».
                  

Bernard PIRE

 

 

 

Écrit par :

  • Bernard PIRE : directeur de recherche au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

Source :

  • Universalis.fr

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Tous les atomes qui ont un même nombre atomique ont les mêmes propriétés chimiques, même s'il n'ont pas le même nombre de neutrons, ils appartiennent au même "élément" chimique. 

On désigne les éléments par un symbole :

  • H  = hydrogène

  • O  = oxygène

  • C  = carbone

  • Be = Béryllium

  • Au = or

  • Fe = fer 

  • . . .

On décrit un élément sous cette forme :

Notation des éléments chimiques

A : nombre de masse : correspond au nombre total de protons et neutrons.

Z : numéro atomique ou nombre de charge correspond au nombre de protons et donc au nombre d'électrons si l'élément est électriquement neutre.

X : le symbole de l'élément.

Notation des isotopes du fer

26 protons

30 neutrons

26 électrons

26 protons

30 neutrons

24 électrons

26 protons

30 neutrons

23 électrons

Il y a 90 éléments chimiques naturels dans l'univers connu, d'autres ont été créés artificiellement, le plus connu étant le plutonium.

Voir en bas de page le tableau périodique des éléments...

 

Connaissant le nombre de masse et le nombre atomique, il suffit de soustraire l'un de l'autre pour connaître le nombre de neutrons.

 

Tous ces élément on été regroupés dans un "tableau périodique des éléments" dont l'origine remonte au grand chimiste Russe Dmitri Ivanovitch Mendeleïev qui en fit une première version en 1869, avec les 60 éléments connus à cette époque.

Dmitri Ivanovitch Mandeleïev