Structure d’un atome

L'idée générale avant les définitions :

Imaginez une cerise au milieu d’un stade de foot : le noyau, c'est la cerise. Le nuage d'électrons, c'est tout le reste du stade. Presque toute la masse est dans la cerise, et presque tout le volume est du vide.

Exemple : un atome d'hydrogène mesure environ 0,000 000 000 1 m (10⁻¹⁰ m). Son noyau est ~100 000 fois plus petit. L'atome est donc essentiellement... du vide.

Les trois briques de l'atome :

Définition — Atome
L'atome est la plus petite particule de matière qui conserve l'identité chimique d'un élément. Il est électriquement neutre (autant de charges + que de −).

1. Le proton

• Où ? Dans le noyau, collé aux neutrons.
• Charge : positive.
• Masse : ~1 unité de masse atomique (u).
• Son nombre s'appelle Z, le numéro atomique : c'est la carte d'identité de l'élément.

Exemple simple : l'hydrogène possède 1 proton (Z = 1). C'est ce proton qui fait que c'est de l'hydrogène et rien d'autre.

Exemple poussé : le carbone possède 6 protons (Z = 6). Un atome avec 7 protons ne serait plus du carbone, mais de l'azote. Changer le nombre de protons qui fait changer d'élément.

2. Le neutron

Définition — Neutron
Particule du noyau, sans charge électrique et de masse quasi identique à celle du proton.

• Où ? Dans le noyau, avec les protons.
• Charge : nulle (d'où son nom).
• Masse : ~1 u, comme le proton.

Exemple simple : l'hélium possède 2 protons et 2 neutrons dans son noyau.

Exemple surprenant : le carbone existe avec 6, 7 ou 8 neutrons (carbone-12, carbone-13, carbone-14). Le nombre de neutrons ne change pas l'élément, mais donne des isotopes.

3. L'électron

Définition — Électron
Particule très légère, de charge négative (−e), qui se déplace autour du noyau dans un nuage électronique (souvent dessiné en "couches").

• Où ? Autour du noyau, jamais dedans.
• Charge : négative, exactement opposée à celle du proton.
• Masse : ~1/1836 de celle du proton → quasi négligeable.
• Dans un atome neutre : nombre d'électrons = nombre de protons = Z.

Exemple simple : l'hydrogène a 1 proton, donc 1 électron qui tourne autour.

Exemple poussé : le carbone a 6 protons, donc 6 électrons répartis en 2 couches : 2 sur la première, 4 sur la deuxième. C'est cette organisation qui explique ses liaisons chimiques.

Résumé des trois particules

• Le proton compose le noyau. Il est de charge positive (+1) et de masse (u) 1. Il définit l’élément (Z)
• Le neutron compose le noyau. Il est de charge nulle (0) et de masse (u) 1. Il stabilise le noyau et fait les isotopes.
• L’électron gravite autour du noyau. Il est de charge négative (-1) et de masse (u) quasi nulle (~0). Il assure les liaisons chimiques.

Le noyau et la carte d'identité de l'atome :

Définition — Noyau
Partie centrale de l'atome, formée de protons et de neutrons (les nucléons). Il concentre plus de 99,9 % de la masse de l'atome et porte une charge positive.

La carte d'identité s'écrit avec A en haut et Z en bas du symbole de l'élément :

A

Z X        

exemples :  ¹²₆C   ·   ²³⁸₉₂U

Elle se lit aussi à l'oral sous la forme « élément-A » : carbone-12, uranium-238.

• X = symbole de l'élément (H, C, O, Fe...)
• Z = numéro atomique = nombre de protons
• A = nombre de masse = protons + neutrons = nombre de nucléons

Donc : nombre de neutrons N = A − Z

Exemples de lecture de la carte d'identité :

• ¹²₆C : 6 protons, 12 − 6 = 6 neutrons, 6 électrons.
• ²³⁸₉₂U : 92 protons, 238 − 92 = 146 neutrons, 92 électrons. (Oui, les neutrons sont nombreux dans les gros noyaux : ils "collent" les protons qui se repoussent !)

Les variations : isotopes et ions :

1. Isotopes

Définition — Isotopes
Atomes ayant le même nombre de protons (même élément) mais un nombre de neutrons différent.

Exemple simple : ¹²₆C et ¹⁴₆C : même élément carbone, même Z = 6, mais 6 et 8 neutrons.

Exemple du quotidien : le carbone-14 est radioactif et sert à dater des vestiges archéologiques ; le carbone-12 est le carbone "normal" de la vie quotidienne.

2. Ions

Définition — Ion
Atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il n'est plus neutre.

• - Ion positif (cation) : l'atome a perdu des électrons → plus de + que de −.
• - Ion négatif (anion) : l'atome a gagné des électrons → plus de − que de +.

Exemple simple : l'ion sodium Na⁺ : l'atome Na (11 protons, 11 électrons) perd 1 électron → il reste 11 charges + et 10 charges −, donc une charge globale +1.

Exemple inverse : l'ion chlorure Cl⁻ : l'atome Cl (17 protons, 17 électrons) gagne 1 électron → 17 charges + et 18 charges −, donc −1.

Dans la vie : le sel de table, NaCl, est un assemblage d'ions Na⁺ et Cl⁻.

Point piège classique : un ion garde le même nombre de protons — c'est toujours le même élément. Seul le nombre d'électrons change.

Résumé express :

1. L'atome = un noyau (protons + neutrons) + des électrons autour.
2. Z = protons = numéro atomique = identité de l'élément.
3. A = protons + neutrons = nombre de masse.
4. Neutrons = A − Z.
5. Atome neutre : électrons = protons = Z.
6. Isotope : mêmes protons, neutrons différents.
7. Ion : électrons ≠ protons (perdus → cation ; gagnés → anion).

Vous pouvez retrouver des exercices-type sur Labolycée et Pass-Education.