Utilisateur:Savant-fou/Chimie PCSI/Structure atomique

Historique

Quel est le plus petit « grain composant la matière » ? Il est probable que plusieurs civilisations aient tenté d'apporter une réponse à cette question. En Grèce antique, au V^e siècle avant JC, les philosophes dits présocratiques développèrent, et en particulier Leucippe, Démocrite et Épicure, tentèrent de définir cette particule qu'ils nommeront atome, du Grec ἄτομος, « indivisible ». Tombant dans l'oubli, elle laissa place à la théorie des éléments d'Euclide, à savoir que la matière serait formée de 4 éléments : l'eau, la terre, l'air et le feu.

Bien plus tard, en 1869, le russe Mendéleiev regroupe dans un tableau les différents éléments chimiques connus, classés selon leurs propriétés chimiques. Les découvertes de l'électron en 1897 par Thompson, et du noyau atomique en 1912 par Rutherford, permettent d'esquisser un premier modèle de la structure atomique, qui s'avérera être composé de particules plus petites et donc divisible à nouveau.

L'atome

Représentation (sans échelle) de l'atome de lithium.

L'atome, d'une taille de $10^{-10}$ m, est formé de deux ensembles distincts :

le noyau. Il est formé de particules chargées positivement, les protons, et de particules neutres, les neutrons ; on les nomme indifféremment nucléons. Sa taille est de l'ordre de $10^{-15}$ mètres ; il est très petit face à l'atome. Le nombre de protons porté le noyau est donné par le numéro atomique noté $Z$ , et le nombre total de nucléons par le nombre de masse noté $A$ . Près de 99,99 % de la masse de l'atome se concentre dans le noyau ;
le cortège électronique concentrant des particules chargées négativement, les électrons, se trouvant autour du noyau^[1]

La charge du proton, dite charge élémentaire, est $e=1,602176.10^{-19}$ . La charge de l'électron est $-e$ . Un atome neutre possède une charge totale nulle, c'est-à-dire que les charges négatives des électrons « annulent » celles, positives, des protons. Il y a donc autant d'électrons que de protons dans l'atome neutre. On déduit donc que le nombre de neutrons est $Z-A$ . Par convention, les caractéristiques d'un atome $X$ s'écrivent ainsi : ${}_{Z}^{A}\mathrm {X}$ .

La cohésion de l'atome est assurée par des forces électromagnétiques, à savoir l'attraction entre les électrons (-) et les protons (+).

Prenons l'exemple de l'atome d'or, noté $_{79}^{197}\mathrm {Au}$ . On déduit que le noyau contient 197 nucléons dont 79 protons et 197-79=118 neutrons ; l'atome 79 possède électrons.

Élément chimique

Les quantités $Z$ et $A$ sont variables. Quelles sont les conséquences pour l'atome ? Le nombre d'électrons dans le cortège électronique variant, ses propriétés physiques et chimiques sont différentes^[2]. On peut donc définir des « familles » d'atomes neutres ayant même $Z$ .


Définition
L'élément est le nom des corps simples caractérisés par un même numéro atomique. La classification périodique, appelée aussi tableau de Mendéleiev regroupe tous les éléments chimiques connus. On définit d'autre part un nucléide comme un type de noyau atomique caractérisé par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient. Deux atomes de même numéro atomique peuvent avoir un nombre de masse différent : on parle d'isotopes.

Pour les isotopes, on peut prendre l'exemple célèbre du carbone ( $Z=12$ ). Il possède 16 isotopes connus, de nombre de masse variant de 8 à 23, dont ${}_{12}^{12}\mathrm {C}$ , ${}_{12}^{13}\mathrm {C}$ et ${}_{12}^{14}\mathrm {C}$ (seuls les 2 premiers sont stables et se rencontrent à l'état naturel). Ces trois isotopes comportent respectivement 0, 1 et 2 neutrons.

Exercices

Structure de quelques atomes

Compléter le tableau suivant.

Hydrogène ${}_{1}^{1}\mathrm {H}$	Carbone ${}_{6}^{12}\mathrm {C}$	Chlore ${}_{17}^{35}\mathrm {Cl}$	Uranium ${}_{92}^{238}\mathrm {U}$
? protons	? protons	? protons	? protons
? neutrons	? neutrons	? neutrons	? neutrons
? électrons	? électrons	? électrons	? électrons

Détermination d'abondances isotopiques

Nous avons évoqué la multiplicité des isotopes de carbone. D'autres que lui possèdent une remarquable diversité d'isotopes, comme le calcium, 5^e élément le plus abondant de l'écorce terrestre (3,5 %) après l'oxygène, le silicium, l'aluminium et le fer. On lui connaît 6 isotopes majeurs.

Isotope	${}_{20}^{40}\mathrm {Ca}$	${}_{20}^{42}\mathrm {Ca}$	${}_{20}^{43}\mathrm {Ca}$	${}_{20}^{44}\mathrm {Ca}$	${}_{20}^{46}\mathrm {Ca}$	${}_{20}^{48}\mathrm {Ca}$
Abondance en %	96,9412	0,6479	0,1356	2,0861	0,0043	0,1874
$M$ en g/mol	39,9626	41,9586	42,9588	43,9555	45,9537	47,9525

Le cuivre ( $Z=29$ ) est un métal de masse molaire moyenne $63,5460$ g/mol. Ses deux isotopes stables ont 34 et 36 neutrons, de masses molaires $62,9296$ g/mol et $64,9278$ g/mol.

Après avoir définit un isotope, donner le nombre de protons et de neutrons de chacun des isotopes du calcium.
Calculer la masse molaire moyenne du calcium.
Calculer l'abondance isotopique des différents isotopes du zinc.

Le programme de colles

Composition des atomes et des noyaux.
Définitions d'un élément, d'un nucléide et d'un isotope.
Calculs sur les isotopes.

Notes

↑ C'est un abus de langage de parler d'électrons « orbitant » autour du noyau, les lois de la gravitation de Newton ne s'appliquant pas à ces particules.
↑ En effet, les réactions chimiques ne font intervenir que la couche superficielle de l'atome, à savoir le cortège électronique. C'est sa composition qui changera les propriétés de la réaction.

[1] C'est un abus de langage de parler d'électrons « orbitant » autour du noyau, les lois de la gravitation de Newton ne s'appliquant pas à ces particules.

[2] En effet, les réactions chimiques ne font intervenir que la couche superficielle de l'atome, à savoir le cortège électronique. C'est sa composition qui changera les propriétés de la réaction.

[1]

[2]