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ATOME

et structure atomique

Spécial débutant.

Notions du niveau de la classe de seconde.

ATOME et sa nomenclature
Molécule	Particules microscopiques constituant la matière de l'Univers. Assemblage d'atomes. Taille entre un et quelques nanomètres.
Atomes	Les atomes forment: les molécules: eau, méthane, aspirine … les cristaux ou réseaux cristallins: les métaux … Quelques dixièmes de nanomètre. Un atome est composé d'un noyau et d'électrons qui sont très petit, laissant l'atome quasiment vide. Si l'atome mesurait 100 m de diamètre, le noyau serait de la taille d'une fourmi et l'électron de celle d'une bactérie. Taille de l'atome (rayon): hydrogène: 52,9 pm = 52,9 x 10^-12 m = 5,29 10^-11 m. carbone: 70 pm = 300 x 10^-12 m = 3 10^-10 m césium: 260 pm = 260 x 10^-12 m = 2,6 10^-10 m
	Représentation classique de l'atome: l'échelle n'est pas respectée, le noyau est beaucoup plus petit; de même que les électrons. Ceux-ci ont des trajectoires curieuses, régies par le hasard et progressant sur plusieurs couches autour du noyau.

Électron	Particule élémentaire: on ne sait pas la décortiquer davantage. Il n'est pas vraiment une petite boule matérielle mais plutôt une sorte d'onde. Sa trajectoire est calculée en faisant intervenir les probabilités. On parle du nuage électronique. Les électrons se déplacent à grande vitesse, proche de celle de la lumière, mais sans l'atteindre. C'est sa mobilité dans l'atome, mais surtout sa faculté de passer d'un atome à un atome qui explique le courant électrique. C'est la quantité de ceux qui s'échangent en périphérie qui déterminent les propriétés chimiques de l'atome (élément chimique). Lorsque les électrons font dissidence, l'atome est chargé positivement c'est un cation. Par contre, si des électrons supplémentaires rappliquent, l'atome devient un anion. Voir Exemples L'électron porte une charge électrique négative de 1,6 10^-19coulomb. 1 coulomb (C) = charges électriques qui traversent un circuit de 1 ampère pendant une seconde.
Noyau	10 000 à 100 000 fois plus petit que l'atome en rayon (soit 10^15 fois plus petit en volume). Le noyau concentre toute la masse de l'atome. Siège de forces nucléaires qui expliquent la radioactivité et la possibilité de réaliser des centrales nucléaires ou des bombes du même nom. La force nucléaire maintient ensemble les protons et les neutrons (appelés: nucléons). Deux types de particules (non-élémentaires) qui ont en gros même masse et même taille. Taille des nucléons: 1 femtomètre = 10^-15 m
Neutron	Le neutron est … neutre électriquement.
Proton	Le proton (avec un "p" comme positif) porte une charge positive égale à celle de l'électron. Dans un atome, il y a autant de protons que d'électrons: les charges positives de l'un et négatives de l'autre se neutralisent. La charge électrique de l'atome est nulle.

Quark	Neutrons et protons se composent de trois quarks chacun. C'est le niveau de dissection maximum (actuellement; la théorie des cordes essaie d'aller plus loin.. Les quarks ont une taille extrêmement petite, comme l'électron. Le noyau est aussi essentiellement vide!
Bilan	En résume, l'atome est formé de deux types de particules élémentaires: électrons et quarks. Présentation linéaire Présentation par zooms successifs

Voir Les autres particules élémentaires

Caractéristiques
Électron	Masse (me) Charge (-e)	9,109 x 10^-31 kg – 1,602189 x 10^– 19 C
Proton	Masse (mp 1846 me) Charge (+e)	1,67265 x 10^– 27 kg 1,602189 x 10^– 19 C
Neutron	Masse (mn mp ) Charge (e)	1,67494 x 10^– 27 kg 0

Voir Taille des atomes

Quantité et masse
Nucléons	Nombre de masse	A
Proton	Numéro atomique Nombre de charges	Z
Neutron	Nucléons – Protons Masses proches	= A – Z
Électron	Autant que d'électrons. Charge nulle de l'atome.	= Z
Cuivre	Nombre de masse: A = 63 Numéro atomique: Z = 29 29 protons 34 neutrons 29 électrons
Chlore	Nombre de masse: A = 35 Numéro atomique: Z = 17 17 protons 18 neutrons 17 électrons
Sodium	Nombre de masse: A = 23 Numéro atomique: Z = 11 11 protons 12 neutrons 11 électrons
Hydrogène	Nombre de masse: A = 1 Numéro atomique: Z = 1 1 proton 0 neutron 1 électron
Hydrogène	Masse (mH = mp) L'atome d'hydrogène ne comporte qu'un proton.	1,67 x 10^-27 kg
Uranium	Masse (mU)	3,95 x 10^-25 kg
Masse	Masse de l'atome (mA)	1846 mH

Voir Hydrogène / Cuivre / Chlore / Sodium / Uranium

Atomes ISOTOPES
Protons	Quantité identique qui rend ces atomes neutres
Neutrons	Quantité différentes. les atomes ne sont pas de même masse.
Graphite	Carbone 12: 98,9% dans le graphite Carbone 13: 1,1% Carbone 14: infiniment peu.

Suite Isotopes

Nuage électronique – Remplissage
Les électrons sont en couches baptisée K, L, M … et numérotée (numéro quantique). On nomme cela le cortège électronique.	n = 1, couche K n = 2, couche L n = 3, couche M
La couche K	La plus proche du noyau. Les électrons y sont très liés.
La couche externe (ou couche de valence)	C'est la couche la plus éloignée du noyau. Les électrons y sont peu liés. Ce sont les électrons périphériques.
Chaque couche ne peut recevoir qu'une quantité maximale d'électrons (principe de Pauli).	Comme si on remplissait les électrons sur les couches successives jusqu'à saturation. Max par couche = 2 n²
La première, K La deuxième, L La troisième, M La quatrième, N	2 x 1² = 2 2 x 2² = 8 2 x 3² = 18 2 x 4² = 32
Attention, après 8 électrons sur M (Argon avec Z = 18)	Le remplissage se complique avec apparition de sous-couches et les couches o et P sont saturées à 32 électrons.
Hydrogène avec Z = 1 Carbone avec Z = 6 Oxygène avec Z = 8 Magnésium avec Z = 12	(K)^1 (K)^2 (L)^4 (K)^2 (L)^6 (K)^2 (L)^8 (M)^2
Potassium avec Z = 19 Remplissage de N avant saturation de M.	(K)^2 (L)^8 (M)^8 (N)^1
Chlore avec Z = 17 Anion chlore Cl^- (1 électron en plus)	(K)^2 (L)^8 (M)^7 (K)^2 (L)^8 (M)^8
Aluminium avec Z = 13 Cation chlore Al^3+ (3 électrons en moins)	(K)^2 (L)^8 (M)^3 (K)^2 (L)^8

Voir Éléments chimiques

Stabilité et liaisons
Gaz nobles (ou rares) He, Ne, Ar, Kr, X^e et Rn. Atomes; jamais en ions.	2 (pour Z = 2) ou 8 électrons en couche externe qui leur confère une très grande stabilité.
Pour être stables, les éléments adoptent donc la même structure électronique que le gaz rare dont le numéro atomique Z est le plus proche.	Règle de l'octet respectée si: les couches internes sont saturées, et il y a huit électrons sur sa couche de valence (ou 2 si Z = 2)
Atome de carbone	(K)^2 (L)^4 Couche externe 4 électrons Compléments possible 4 électrons par apport d'autres atomes.
Doublets liants Liaison covalente (liaison chimique entre deux atomes)	Chacun des atomes met en commun un électron d'une de ses couches externes afin de former un doublet d'électrons liant les deux atomes.
Atome de Carbone Exemple CH4	(K)^2 (L)^4 Couche externe quatre électrons Compléments possible quatre électrons par apport d'autres atomes. Soit quatre doublets liants

Exemple de calcul – Carbone
Symbole de la forme la plus courante naturellement.
Composition	6 protons 6 neutrons (12 – 6) 6 électrons
Couches électroniques	(K)^2 (L)^4 forme complète 2, 4 forme abrégée
Masse de l'atome (on admet que la masse du neutron est égale à celle du proton et celle de l'électron est négligeable)	12 x 1,67 10^-27 = 2,004 10^-26 kg
Masse de l'atome avec calcul précis	6 x 1,67265 x 10^– 27 + 6 x 1,67494 x 10^– 27 + 6 x 9,109 x 10 ^–^31 = 6 x 1,67265 x 10^– 27 + 6 x 1,67494 x 10^– 27 + 6 x 0,0009109 x 10 ^–^27 = 6 x 3,3485009 x 10^– 27 = 2,00910054 x 10^– 26
Écart entre les deux calculs de masse	= 2,00910054 x 10^– 26 – 2,004 x 10^-26 = 0,005 par rapport à 2,004 soit 0,25%
Atomes de carbone dans un diamant de 1 carat (= 200 mg)	200 mg = 200 10^-6 kg 200 10^-6 / 2,009 10^-26 100 10^20 10^22 atomes de carbone

Masse de l'atome de carbone

selon la précision des calculs

Prise en compte des valeurs	Simples	Avec décimales	Avec électron	Avec neutron et proton
Masse proton	1,67	1,67265	1,6726500	1,6726500
Masse neutron	1,67	1,67265	1,6726500	1,6749400
Masse électron	0	0	0,0009109	0,0009109
Masse totale	3,34	3,3453	3,3462109	3,3485009
Écart	0,0085009	0,0032009	0,00229
Pourcentage	0,25%	0,10%	0,07%
Carbone	20,04	20,0718	20,0772654	20,0910054

En se contentant d'un calcul simple l'erreur n'est que d'un quart de pourcent. Il ne faut pas se priver!

Autres exemples: FER / CUIVRE / ÉTAIN

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Aussi	Constantes de la physique Constantes numériques Puissance de dix Univers
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