Comment se modélise un atome ?

L'atome

La découverte de l'atome

En 400 av JC, un philosophe grecque nommée Démocrite est le premier homme à penser que la matière est constituée de minuscules particules tellement petite que l'on ne peut les diviser d'où leur nom de atomos qui signifie indivisible en grec.

La première approche des électrons date de l'époque de la Grèce Antique. Ceux-ci avaient pris conscience qu'une certaine oléorésine, l'ambre était capable d'attirée des objets si elle était frottée avec de la fourrure. Sans le savoir, ils venait de découvrir l'électricité statique. Il s'agit du deuxième phénomène électrique dont l'Homme a pris conscience, juste après la foudre. En 1269, un ingénieur militaire qui servait auprès du prince Charles Premier de Sicile, se mit à étudier le phénomène d'attirance ente des petits objets après qu'ils aient été frottés.

La découvert de l'atome est imputable à Ernest Rutherford. Durant le début des années 1910, il s'est attelé à comprendre la composition de l'atome. Il a alors déterminé que l'atome était constitué d'un noyau qui concentrait toute la charge positive et aussi presque toute la masse de l'atome. Ce noyau est entouré d'un nuage électronique composé d'électrons. L'un de ses collègues de laboratoire, Niels Bohr, a quant à lui démontré que les états de l'électrons dépendaient de l'énergie déterminée par le nombre n de l'atome. C'est à lui qu'on doit la compréhension de l'émission d'un photon lors d'un passage à un état inférieur.

Notion de modèle

Quel est notre modèle atomique actuel ? Voici le modèle atomique tel que nous le décrivons aujourd'hui. Le noyau est entouré d'électrons qui gravitent autour de lui.

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.

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.

Le noyau de l'atome

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 :

NomChargeMasse
Proton1,6.10 -19 C1,67.10-27 kg
Neutron01,67.10-27 kg

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.

La masse d'un atome

La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.

On dit que la masse d'un atome est concentrée dans son noyau.

La charge électrique d'un atome

C'est la somme de la charge électrique + des particules du noyau et celle – des électrons.

Cette somme est nulle : On dit que l'atome est électriquement neutre.

Les charges électriques étant les même, il y a autant d'électrons qui gravitent autour du noyau que de particules le constituant.

Exemple : L'atome de fer a 26 électrons et 26 particules + dans son noyau.

La taille d'un atome

Elle est infiniment petite.

Le diamètre d'un atome vaut en moyenne 10-1 nm ( 1 nm = 10 -9 m ).

Le diamètre du noyau vaut en moyenne 10-6 nm.

Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome.

Entre les électrons et le noyau, il n'y a que du vide.

On parle de la structure lacunaire de l'atome.

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.

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:  

A quoi sert le carbone 14 ? On utilise le carbone 14 afin de dater des éléments que l'on retrouve. En effet, sa désintégration est très lente et nous permet d'avoir une indication sur sa date d'origine.

Composition du noyau

Le noyau d'un atome se compose d'éléments que l'on appelle les nucléons. Ce sont eux qui définissent le nombre de masse d'un atome.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Dans ces nucléons se trouvent des protons dont la charge est positive et des neutrons à charge neutre. Ces deux composants sont très fortement liés entre eux. Le rayon d'un nucléon est d'environ 10-15 m alors que l'atome tout entier a un diamètre avoisinant les 10-10 m.

Stabilité de l'atome

Pour que le noyau et les électrons restent stables entre eux. Ils sont donc liés par une énergie de liaison. Si ils ne sont pas bien liés entre eux, les atomes deviennent instables et se transforment. Ils sont donc radioactifs. Il existe trois types de radioactivité.

Radioactivité gamma

La radioactivité gamma est un rayonnement provoqué par une désintégration gamma. Le plu souvent, ces désintégrations accompagnent des désintégrations alpha ou bêta. En effet, quand il émet un rayon alpha ou bêta, le noyau devient excité. Lors de l’émission d’un rayonnement électromagnétique gamma, le noyau peut donc redescendre à un état plus stable.

Radioactivité bêta

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis.

Radioactivité alpha

La radioactivité alpha est un rayonnement provoqué par une désintégration alpha qui est une désintégration radioactive où un noyau atomique éjecte une particule alpha qui se transforme en un autre noyau dont le nombre de masse est diminué de 4 et le numéro atomique de 2 à cause de la particule alpha manquante qui est analogue au noyau d’hélium 4.

Doit-on encore utiliser l'énergie nucléaire ? Même si leur existence et leur fonctionnement est très controversé, les centrales nucléaires restent à ce jour le moyen le plus efficace pour créer de l'énergie. En effet, l'énergie libérée par la fission nucléaire n'a pas d'équivalent à ce jour.

Stabilité du noyau

Certains noyaux qui ont une bonne énergie de liaison restent stables. En réalité, la stabilité n'existe pas vraiment. On considère qu'on atome est stable quand sa demie-vie est égale à 1033 années, soit la durée de vie du proton. En conclusion, il n'existe aucun noyau qui soit réellement stable à l'échelle de l'Univers. Par exemple, le diamant que nous trouvons tous très solide et stable est instable à l'échelle de la Terre mais stable à l'échelle de l'Homme.

Liaisons

Dans un solide moléculaire les atomes sont liés par des liaisons covalentes : les deux atomes mettent en commun leurs électrons célibataires pour créer un doublet liant. Quand les deux atomes sont identiques, la paire d’électron qui relie les deux atomes est répartie équitablement entre les deux atomes. On dit alors que la molécule est apolaire. Quand deux atomes qui mettent leurs électrons en jeu sont différents et qu’il existe une différence d’électronégativité significative entre ces deux atomes, la liaison est dire polarisée et on appelle ce type de molécule, molécule polaire.

Une liaison covalente est dite polarisée si les deux atomes qui sont liés ont des électronégativités très différentes. En effet, dans ce cas, un des deux atomes aura tendance à attirer les électrons, ce qui a pour effet de polariser la liaison. Plus la différence d’électronégativité est grande et plus la polarisation de la liaison sera importante. Il se forme ainsi une sorte de dipôle électrique. Le décalage des électrons conduit à noter une charge partielle négative δ– sur l’atome le plus électronégatif et une charge partielle positive δ+ sur le moins électronégatif

La stabilité des structures électroniques est aussi impactée par l'électronégativité.

L’électronégativité d'un élément est sa capacité à attirer les électrons lors de la création de liaisons chimiques avec d'autres éléments

On peut trouver l'électronégativité d'un élément grâce à sa position dans le tableau périodique des éléments. En effet il existe un lien entre la période et l'électronégativité. Par exemple, en lisant le tableau de gauche à droite, sur une période, l'électronégativité augmente. Il en va de même si on lit le tableau de bas en haut par colonne. La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque. Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

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 :

 ChargeMasse
Electrone = 1,6 x 10-19 C9,1 x 10-31 kg

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.

me est négligeable devant mp ou mn.

Dimensions de l'atome

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

  • Diamètre du noyau: dn = 2,4.10-15 m ;
  • Diamètre de l'atome: da = 1,1.10-10 m.

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.

Propriétés de l'atome

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: Qnoyau = Z.e Le nuage électronique comporte Z électrons de charge électrique –e. Sa charge électrique totale est Qnuage = – Z.e. De telle sorte que la charge électrique totale de l'atome est nulle. Qatome = 0

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

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).

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 :

m(X) = A.mp ou, puisque mp = mn m(X) = A.mn

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–, O2–.

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+.

Comment nettoyer des vieux bijoux ? Pour nettoyer des vieux bijoux, on utilise des bains à électrolyse. Ces derniers vont, par le biais des ions présents, faire passr du courant dans une solution ionique et ainsi décoller les impuretés du métal.

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Les phénomènes liés à l'atome

La conductivité électrique

La conductivité électrique d'un matériau est sa capacité à laisser se déplacer les charges électriques et donc les électrons en son sein.

Le magnétisme

Le magnétisme est le phénomène physique selon lequel des matériaux s'attirent ou se repoussent. Il est donc régi par les forces magnétiques et les champs qui y sont associés.

Le rayonnement électromagnétique

Tout corps émet des rayonnements dont la fréquence (et donc l’énergie) dépend de la température de ce corps : ce phénomène est décrit par la loi de Wien. A température ambiante la majorité de ces rayonnements sont des infrarouges qui sont absorbés par la matière environnante et en convertis en chaleur.

La loi de Wien met en relation le rayonnement d’un corps noir (corps opaque et non réfléchissant et non diffusant et capable d’absorber toutes les radiations électromagnétiques incidentes) à une longueur d’onde.

L'élément chimique

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.

Symboles des éléments

Nous connaissons à ce jour 118 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 :

NomSymboleNombre Z
HydrogèneH1
SoufreS16
CarboneC6
ChloreCl17
AzoteN7
FerFe26
OxygèneO8
CuivreCu29
FluorF9
ZincZn30
SodiumNa11
BromeBr35
AluminiumAl13
ArgentAg47

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

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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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.

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benghazi
benghazi
Invité
21 Déc.

bonjour
Je prend les noyaux d’abricot , j’en extrait l’huile végétale de leur amandes. Il me reste du tourteaux, je veux extraire l’huile essentielle du tourteaux avec du cyclohexane. j’obtient une huile essentielle avec un peu de cyanures et des traces de cyclohexane. Pour enlever le cyclohexane, j’utilise un rotavapeur, mais il reste des traces. comment enlever ces traces, et comment enlever aussi les cyanures ?
note : Il s’agit d’une huile essentielle qui va être utilise dans l’alimentaire. Merci urgent svp

Thomas
Thomas
Éditeur
23 Déc.

Bonjour ! Le thiosulfate de sodium permet de rendre le cyanure atoxique, mais on déconseillera de l’insérer dans l’alimentation.

Bonne journée !