L'atome et l'élément.
 

I. L'atome.

1. Notion de modèle.

En sciences physiques, un modèle est une représentation de la réalité. Ce n'est donc pas la réalité. Cette représentation est élaborée progressivement à partir des observations.
Un modèle doit posséder deux vertus:

Permettre d'expliquer les propriétés observées,
Permettre de prévoir d'autres propriétés non encore observées.

Un modèle est en permanente évolution puisque de nouvelles découvertes sont susceptibles de le mettre en défaut. Enfin et paradoxalement c'est souvent l'étude des défauts d'un modèle qui permet d'approfondir nos connaissances en sciences physiques.

2. Modèle de l'atome.

A l'heure actuelle les physiciens et les chimistes pensent q'un atome peut être modélisé par une structure présentant un noyau autour duquel existe une zone sphérique centrée sur le noyau et dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver les électrons. Cette partie de l'atome est appelée nuage électronique. On donne ci-contre un dessin d'un modèle probabiliste d'un atome d'hydrogène composé d'un noyau et d'un unique électron.

3. Le noyau de l'atome.

a. Les nucléons

Le noyau de l'atome est constitué de deux types de particules, les nucléons dont certaines propriétés sont regroupées dans le tableau ci-dessous:
 

Il faut mémoriser que la charge électrique portée par le proton est notée e et appelée: charge élémentaire. C'est la plus petite charge électrique stable que l'on puisse isoler.

b. Les nombres Z et A.

Le nombre de charge ou numéro atomique Z d'un noyau est le nombre de protons qu'il contient.
A représente le nombre de nucléons du noyau.

On convient de représenter le noyau d'un atome par le symbole:

Dans ce symbole, X représente un élément. Par exemple O: oxygène, Cl: chlore, N: azote.

Si l'on note N le nombre de neutrons du noyau on a: A=Z+N.

c. Les isotopes.

On appelle atomes isotopes les ensembles d'atomes caractérisés par le même numéro atomique Z et des nombres de nucléons A différents. Ce sont donc des ensembles d'atomes qui ne diffèrent que par le nombre de leurs neutrons.

Exemple:  

4. Le nuage électronique.

On appelle ainsi la zone sphérique de l'espace, centrée sur le noyau, dans laquelle il y a une certaine probabilité de trouver, à un instant donné, le (ou les) électron(s) de l'atome. certaines propriétés de l'électron sont données ci-dessous:
 

Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de la masse de l'électron. Par contre il est utile de savoir que cette masse est beaucoup plus petite que celle d'un nucléon (environ 2000 fois plus petite) ce qui nous autorise à négliger la masse des électrons devant celle des nucléons.

m_e est négligeable devant m_p ou m_n.

5. Dimensions de l'atome.

L'atome d'hydrogène est représenté ci-contre. Ces dimensions sont:

Diamètre du noyau: d_n = 2,4.10^-15m.
Diamètre de l'atome: d_a = 1,1.10^-10m.

Il s'agit du plus petit atome connu. Il n'est pas important de retenir ces valeurs mais l'ordre de grandeur de leur rapport , valable pour les petits atomes donne une bonne idée de l'espace extrêmement limité occupé par le noyau d'un atome vis à vis de l'espace dans lequel évoluent les électrons. Une représentation de l'atome d'hydrogène à notre échelle est proposée dans les exercices et permet de mieux comprendre ce qu'est une structure lacunaire.

5. Propriétés de l'atome.

a. Neutralité électrique (ou électroneutralité) de l'atome.

L'atome est un édifice électriquement neutre.

Le noyau comporte Z protons de charge électrique e. Sa charge électrique totale est donc: Q_noyau = Z.e
Le nuage électronique comporte Z électrons de charge électrique –e. Sa charge électrique totale est Q_nuage = – Z.e.
De telle sorte que la charge électrique totale de l'atome est nulle. Q_atome = 0

Z représente donc aussi le nombre d'électrons de l'atome.

b. Structure lacunaire de l'atome.

La matière constituant un atome est essentiellement concentrée dans son noyau. Les électrons tournent autour de ce noyau. Les distances séparant le noyau des électrons sont très grandes. Ainsi la plus grande partie (volume) d'un atome est constituée de vide. C'est ce que l'on appelle une structure lacunaire.
La réalité d'une telle structure est confirmée par l'expérience de Lord Ernest Rutherford (1871-1937).

c. Masse d'un atome.

Nous avons vu plus haut que les électrons ont une masse négligeable devant celle des nucléons. Nous pouvons donc considérer avec une très bonne approximation que la masse de l'atome est pratiquement égale à la masse de son noyau. La masse de l'atome X pourra donc être écrite:
 

d. Les ions monoatomiques.

Lorsqu'un atome perd ou gagne un (ou plusieurs) électron(s), il devient un ion monoatomique.
Cette transformation ne concerne que les électrons de l'atome et laisse donc le noyau inchangé. Un atome et l'ion monoatomique qui en dérive sont caractérisés par la même valeur de Z.
Un atome, électriquement neutre,qui gagne des électrons, charges élémentaires négatives, devient un ion négatif ou anion. On indique en haut et à droite du symbole de l'élément le nombre de charges élémentaires qu'il a gagnées. Exemples: Cl^–, O^2–.
Un atome, électriquement neutre, qui perd des électrons, charges élémentaires négatives, devient un ion positif ou cation. On indique en haut et à droite le nombre de charges élémentaires positives apparues. Exemples: Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺.
 

II. L'élément chimique.

1. Définition.

On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des particules, qu'il s'agisse d'atomes ou d'ions, caractérisées par le même nombre Z de protons présents dans leur noyau.

2. Symboles des éléments.

Nous connaissons à ce jour 116 éléments. Certains de ces éléments sont naturels d'autres sont artificiels. En particulier les éléments au-delà de l'uranium (Z>92) sont artificiels.

Chaque élément est représenté par un symbole composé d'une lettre majuscule (ex: élément iode I) ou d'une majuscule suivi d'une minuscule (ex: élément magnésium Mg).

L'apprentissage du nom des éléments et de leur symbole est indispensable aux élèves qui veulent poursuivre des études scientifiques. Pour cela il est recommandé de constituer une fiche et d'y noter les noms et les symboles des éléments chaque fois que vous en rencontrez un nouveau dans un cours ou lors d'un exercice.

Voici une première liste des éléments les plus fréquemment rencontrés en chimie à notre niveau:
 

Il n'est pas nécessaire de retenir la valeur de Z correspondant à chaque élément.

3. Conservation des éléments.

Les réactions chimiques se font sans apparition ni perte d'éléments. Les éléments mis en jeu peuvent éventuellement changer de forme, c'est-à dire q'un élément se présentant sous forme d'atome isolé peut se transformer en ion ou se combiner (s'assembler) à d'autres atomes et vis versa.

Cette propriété des éléments est à la base de l'écriture des équations-bilans en chimie et à ce titre doit être bien assimilée. Elle s'énonce de la façon suivante:

Il y a conservation des éléments au cours des transformations chimiques.

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