Une petite histoire de l'atome

En 400 av JC, un philosophe grecque nommée Démocrite est le premier homme à penser que la matière est constitué 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.

D'où vient l'électricité statique ?
Il arrive souvent que les cheveux soient en proie a l'électricité statique. Cela arrive quand vous frottez un pull en laine, quand vos cheveux frottent le siège de votre bureau ou votre voiture. Si vous voulez tester, vous pouvez fretter un ballon à vos cheveux.

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.

Numéro de groupeGroupeNombre d'électrons de valence
1Métaux alcalins1
2Métaux alcalino-terreux2
133
144
15Pnictogènes5
16Chalcogènes6
17Halogènes7
18Gaz nobles8

A exception de l'Hélium qui en a 2

Ernest Rutherford

Ernest Rutherford est un physicien et chimiste néo-zélandais ayant vécu de 1871 à 1937. On le considère comme l’un des précurseurs de la physique nucléaire. On lui doit notamment la découverte :

  • Des rayons alpha,
  • Des rayons bêta,
  • Du noyau atomique et de ses charges électroniques,
  • De la désintégration nucléaire.

Toutes ses recherches le conduisirent à diriger le prestigieux laboratoire Cavendish de l’université de Cambridge au Royaume-Uni mais aussi de recevoir le prix Nobel de chimie en 1908.

Niels Bohr

Niels Henrik David Bohr est né le 7 Octobre 1885 à Copenhague et est mort le 18  novembre 1962 dans la même ville. Ce physicien danois est surtout connu pour sa contribution à l’établissement de la physique quantique.

Il a d’ailleurs reçu pour cela de nombreux honneurs : il a même été lauréat du prix Nobel de physique en 1922 pour son développement des mécanique quantique. Mais avant cela, il a été en 1921, lauréat de la médaille Hughes.

En 1926, il devient membre étranger de la Royal Society.

La Royal Society of London for the Improvement of Natural Knowledge, abrégée en Royal Society, est l’institution des sciences en Angleterre. Fondée en 1660 à Londres, elle est au Royaume-Uni l’équivalent de l’Académie des sciences en France.

Par la suite, il devient lauréat de la médaille Franklin, toujours en 1926. Il devient par la suite lauréat du Daraday Lectureship de la Société Royale de chimie en 1930 puis lauréat de la médaille de Copley en 1938.

N’étant ni membre d’une famille royale, ni chef d’Etat, il deviendra en 1947 le troisième et dernier Danois à être admis au sein de l’Ordre de L’Élephant au cours du xxe siècle.

L’ordre de l’Éléphant est un ordre de chevalerie danois. La décoration représente un éléphant portant une tour. C’est un insigne en émail blanc qui est suspendu à un collier d’or ou à un ruban bleu passé de l’épaule gauche au côté droit.

Il deviendra par la suite président de l’Académie royale danoise des sciences et des lettres de 1939 à 1962.

En son honneur, l’Union astronomique internationale nommera une vallée lunaire « la Vallis Bohr ».

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Qu'est-ce qu'un atome ?

Description du modèle simplifié

Le noyauLes électrons
Constitué de
particules chargées d'électricité positive
Particules chargées d'électricité négative
Ils gravitent autour du noyau
Ils constituent le cortège électronique ou le nuage
électronique
Leur nombre
caractérise un seul atome. Exemple : un atome de fer à 26
électrons

La masse d'un atome

La masse des électrons est négligeable devant celle du noyau.

Comment s'organisent les molécules ?
Au sein d'un molécule se trouve des atomes. Ces derniers sont constitués d'un noyau. Ce dernier est entouré d'électrons qui sont dans un nuage électronique, de charge négative.

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 10-1nm ( 1nm = 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... Beaucoup de vide !

On parle de la structure lacunaire de l'atome.

Les Ions

La formation d'ions

Un ion est un atome, qui à perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ( 3 max. ). Exemple, le lithium (Li) perd un électron il devient l'ion de lithium (Li+ ). Un autre exemple, le fluor (F) gagne un électron, il devient l'ion de fluor (F- ). Si un atome perd 2 électrons, imaginons que cette atome soit l'hydrogène (H), il devient l'ion d'hydrogène (H +2 ).

Définitions

Un atome ( ou groupe d'atomes ) qui perd un ou plusieurs électrons devient une espèce chimiquement chargée appelée ion. La charge du noyau reste inchangée.

Un ion négatif est un atome ( ou groupe d'atome ) qui à gagné un ou plusieurs électrons.

Un ion positif est un atome ( ou groupe d'atome ) qui à perdu un ou plusieurs électrons.

Les électrons

L'électron est donc l'un des composants de l'atome au même titre que les neutrons et protons. C'est une particule élémentaire que l'on note petit e et dont la charge élémentaire est de signe négatif. Ils s'organisent autour du noyau de l'atome dans ce que l'on appelle un nuage électronique.

Les électrons et leurs propriétés ont aidé à la compréhension d'une multitude de phénomènes physiques, notamment en termes de conductivité.

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.

Comment transporter l'électricité ?
La plupart du temps, ce sont les atomes ferreux. L'élément le plus utilisé en temps que conducteur est le cuivre. C'est lui qui compose les fils au sein des câbles électriques. On le retrouve aussi sur les cartes électroniques.

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.

La structure atomique

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.

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

Comment les molécules tiennent-elles liées ?
Les liaisons fonctionnent comme des aimants entre les atomes. C'est grâce à ces dernières que les atomes se lient entre eux et peuvent former des molécules.

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.

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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.