Pas de panique ! On va rattraper le retard en un clin d'œil. Avant d'attaquer le modèle de l'atome, il faut juste se rappeler ce qu'est un ion – vu en 3ème. C'est la clé pour comprendre l'atome neutre. Ensuite, on découvre le noyau, les protons, les neutrons et cette fameuse notation symbolique qui sera sur ton contrôle. On y va ensemble, avec des trous à compléter pour que ça rentre tout seul.
Rappel : de l'ion monoatomique à l'atome neutre
En 3ème, tu as vu qu'un ion monoatomique est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Par exemple, l'ion sodium $\text{Na}^+$ provient de l'atome de sodium $\text{Na}$ qui a perdu un électron. L'ion chlorure $\text{Cl}^-$ est un atome de chlore qui a gagné un électron.
Un atome est toujours électriquement neutre : le nombre de protons (charges +) dans le noyau est égal au nombre d'électrons (charges –) autour du noyau.
Le modèle de l'atome : noyau et électrons
L'atome est formé d'un noyau central, 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même, et d'un nuage d'électrons en mouvement autour.
Le noyau contient :
- des protons, chargés positivement ($+e$), au nombre de $Z$ (appelé numéro atomique)
- des neutrons, sans charge électrique, au nombre de $N$.
Le nombre de masse $A$ est la somme des protons et des neutrons : $A = Z + N$. On en déduit $N = A - Z$.
Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est exactement $Z$.
La notation symbolique $ ^A_Z\text{X} $
Chaque élément chimique est désigné par un symbole (une ou deux lettres). On représente le noyau par la notation :
$$ ^A_Z\text{X} $$
où $X$ est le symbole, $A$ le nombre de masse, $Z$ le numéro atomique.
Exemple : le sodium $ ^{23}_{11}\text{Na} $ : $Z = 11$ donc 11 protons et 11 électrons ; $A = 23$ donc $N = A - Z = 12$ neutrons.
À toi de jouer
1. 1. Aluminium $ ^{27}_{13}\text{Al} $ : $Z = \underline{\hspace{1.1em}}$, $A = \underline{\hspace{1.1em}}$, $N = \underline{\hspace{1.1em}}$, nombre d'électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
2. Phosphore $ ^{31}_{15}\text{P} $ : $Z = 15$, $A = 31$, $N = \underline{\hspace{1.1em}}$, nombre d'électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
3. Calcium $ ^{40}_{20}\text{Ca} $ : on donne $N = 20$. $Z = \underline{\hspace{1.1em}}$, $A = \underline{\hspace{1.1em}}$, nombre d'électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
1. $Z=13$, $A=27$, $N=27-13=14$, électrons = 13.
2. $N=31-15=16$, électrons = 15.
3. $Z = 20$ (atome neutre, 20 électrons), $A = Z+N = 40$, électrons = 20.
2. a) Pour un atome de fluor ($Z=9$, $N=10$), la notation symbolique est : $\underline{\hspace{1.1em}}$ ; nombre d'électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
b) $ ^{4}_{2}\text{He} $ : $Z = \underline{\hspace{1.1em}}$, $N = \underline{\hspace{1.1em}}$, nombre d'électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
c) Un atome possède 18 électrons et 22 neutrons. Donne sa notation symbolique : $\underline{\hspace{1.1em}}$ (indice : $Z=18$, symbole Ar).
Corrigé
a) $A=9+10=19$, notation $^{19}_{9}\text{F}$, électrons = 9.
b) $Z=2$, $N = 4-2=2$, électrons = 2.
c) $Z=18$, $A=18+22=40$, notation $^{40}_{18}\text{Ar}$.
3. Dans le noyau de l'atome de lithium $ ^7_3\text{Li} $, il y a $\underline{\hspace{1.1em}}$ protons et $\underline{\hspace{1.1em}}$ neutrons. L'atome neutre possède $\underline{\hspace{1.1em}}$ électrons.
Pour le bore $ ^{11}_{5}\text{B} $, nombre de protons = $\underline{\hspace{1.1em}}$, neutrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$, électrons = $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
Lithium : $Z=3$ protons, $N = 7-3 = 4$ neutrons, 3 électrons.
Bore : protons = 5, neutrons = $11-5=6$, électrons = 5.
Ah, la notation $ ^A_Z\text{X} $, ça te revient ? On va la remettre en place proprement avec la méthode étape par étape. Puis on ajoute la brique suivante : où se cachent les électrons autour du noyau ? Réponse : sur des couches, comme des étagères. Accroche-toi, c'est la méthode qui tue pour ne plus jamais te tromper.
Rappel méthodique : lire une notation symbolique
Méthode pas à pas :
- Repérer le symbole $X$, le nombre du bas ($Z$), le nombre du haut ($A$).
- Calculer le nombre de neutrons : $N = A - Z$.
- Le nombre d'électrons d'un atome neutre est égal à $Z$.
Exemple : $ ^{16}_{8}\text{O} $ : $Z=8$, $A=16$ donc $N = 16-8 = 8$, et 8 électrons.
Les couches électroniques (K, L, M)
Les électrons se répartissent dans des couches successives autour du noyau. En classe de 2nde, on utilise trois couches :
- Couche K : 2 électrons maximum
- Couche L : 8 électrons maximum
- Couche M : 8 électrons maximum
On remplit toujours la couche K d'abord, puis L, puis M. Chaque couche doit être pleine avant de passer à la suivante. La répartition s'écrit sous la forme $(K)^{n_1}(L)^{n_2}(M)^{n_3}$ où $n_1$, $n_2$, $n_3$ sont les nombres d'électrons dans chaque couche.
Méthode pour écrire la configuration :
- Relever $Z$ = nombre total d'électrons.
- Placer 2 électrons sur K (si $Z \ge 2$).
- S'il reste des électrons, placer jusqu'à 8 sur L.
- S'il en reste encore, placer jusqu'à 8 sur M.
- Vérifier que la somme des exposants redonne $Z$.
Exemples : Carbone $Z=6$ → $(K)^2(L)^4$ ; Sodium $Z=11$ → $(K)^2(L)^8(M)^1$.
À toi de jouer
1. Complète la configuration électronique de l'azote ($Z = 7$) : la couche K contient $\underline{\hspace{1.1em}}$ électrons, la couche L contient $\underline{\hspace{1.1em}}$ électrons. Configuration : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$.
Corrigé
K : 2, L : 5 → $(K)^2(L)^5$.
2. Pour le magnésium ($Z = 12$), la configuration est $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(M)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$. Vérifie que la somme des exposants vaut bien $Z$ : $\underline{\hspace{1.1em}} + \underline{\hspace{1.1em}} + \underline{\hspace{1.1em}} = \underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
K=2, L=8, M=2 → 2+8+2 = 12, qui est bien $Z$.
3. Le phosphore a pour numéro atomique $Z = 15$. Écris sa configuration électronique en remplissant correctement les couches. (Indice : remplis K, puis L, puis M). Combien d'électrons se trouvent sur la couche externe ?
Corrigé
K=2, L=8, M=5 → $(K)^2(L)^8(M)^5$. Couche externe M : 5 électrons.
Maintenant, on mécanise. Tu vas écrire la configuration électronique cinq fois de suite, en changeant juste le numéro atomique. Un vrai marathon pour que ça devienne un réflexe. Tu vas voir, après ça, tu le feras les yeux fermés.
À toi de jouer
1. Oxygène $Z = 8$ : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
Corrigé
$(K)^2(L)^6$
2. Sodium $Z = 11$ : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(M)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
Corrigé
$(K)^2(L)^8(M)^1$
3. Aluminium $Z = 13$ : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(M)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
Corrigé
$(K)^2(L)^8(M)^3$
4. Soufre $Z = 16$ : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(M)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
Corrigé
$(K)^2(L)^8(M)^6$
5. Argon $Z = 18$ : $(K)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(L)^{\underline{\hspace{1.1em}}}(M)^{\underline{\hspace{1.1em}}}$
Corrigé
$(K)^2(L)^8(M)^8$
Tu es prêt pour les exercices du devoir. On va panacher notation symbolique, neutralité et configurations. Cette fois, pas de trous : tu montres ce que tu sais faire en autonomie, comme au contrôle. Garde la classification périodique à portée pour l'élément inconnu.
À toi de jouer
1. Pour chacun des atomes suivants, donne le numéro atomique $Z$, le nombre de masse $A$, le nombre de neutrons $N$ et le nombre d'électrons.
a) $^{24}_{12}\text{Mg}$ (magnésium)
b) $^{64}_{29}\text{Cu}$ (cuivre)
c) $^{197}_{79}\text{Au}$ (or)
Corrigé
a) $Z=12$, $A=24$, $N=24-12=12$, électrons=12.
b) $Z=29$, $A=64$, $N=64-29=35$, électrons=29.
c) $Z=79$, $A=197$, $N=197-79=118$, électrons=79.
2. a) Un atome de calcium possède 20 électrons. Quel est son numéro atomique $Z$ ? Justifie.
b) Un atome a pour configuration électronique $(K)^2(L)^8(M)^6$. Déduis-en son numéro atomique.
c) Un atome possède 26 protons et 30 neutrons. Écris sa notation symbolique $ ^{A}_{Z}\text{X} $. (Utilise la table pour l'élément : fer, Fe.)
Corrigé
a) Atome neutre → $Z = \text{nb d'électrons} = 20$.
b) $Z = 2+8+6 = 16$.
c) $Z=26$, $A=26+30=56$, notation $ ^{56}_{26}\text{Fe} $.
3. Écris la configuration électronique de chaque atome et précise le nombre d'électrons sur la couche externe.
a) Lithium $Z = 3$
b) Magnésium $Z = 12$
c) Chlore $Z = 17$
d) Potassium $Z = 19$ (Attention : en 2nde, la couche M ne peut contenir que 8 électrons, le reste ira sur une nouvelle couche N.)
Corrigé
a) $(K)^2(L)^1$, 1 électron externe (L).
b) $(K)^2(L)^8(M)^2$, 2 électrons externes (M).
c) $(K)^2(L)^8(M)^7$, 7 électrons externes (M).
d) $(K)^2(L)^8(M)^8(N)^1$, 1 électron externe (N).
4. Un atome inconnu possède la configuration électronique $(K)^2(L)^8(M)^4$.
a) Détermine son numéro atomique $Z$.
b) À l'aide de la classification périodique, identifie le symbole de l'élément.
c) Cet élément est-il un métal ou un non-métal ? Justifie en regardant sa position.
Corrigé
a) $Z = 2+8+4 = 14$.
b) $Z=14$ → silicium, symbole Si.
c) Le silicium est proche de la frontière métaux/non-métaux, mais il est classé comme métalloïde ; en 2nde on le considère souvent comme non-métal (ou semi-conducteur). Réponse attendue : non-métal car situé à droite dans le tableau (groupe 14).
Tu maîtrises le modèle de l'atome de 2nde. Passons la vitesse supérieure : en 1ère, tu découvriras les sous-couches (s, p, d...), la règle de l'octet et des calculs d'abondance isotopique. On va y goûter en douceur pour prendre de l'avance.
À toi de jouer
1. En première, les couches sont divisées en sous-couches. La couche K (n=1) ne possède que la sous-couche 1s (max 2 e⁻). La couche L (n=2) contient 2s (2 e⁻) et 2p (6 e⁻). On note la configuration en détaillant, par exemple lithium $Z=3$ : 1s² 2s¹.
Écris la configuration électronique détaillée de l'atome de carbone ($Z=6$) : $\underline{\hspace{1.1em}}$. Puis de l'atome d'oxygène ($Z=8$) : $\underline{\hspace{1.1em}}$.
Corrigé
Carbone : 1s² 2s² 2p². Oxygène : 1s² 2s² 2p⁴.
2. En 1ère, tu verras la règle de l'octet : les atomes cherchent à avoir 8 électrons sur leur couche externe (ou 2 pour les très petits). C'est pourquoi ils forment des ions.
a) Écris la configuration de l'atome de sodium $Z=11$ puis celle de l'ion \text{Na}^+$.
b) Pourquoi \text{Na}^+$ est-il stable ?
c) Même travail pour le chlore $Z=17$ : configuration de \text{Cl}$ et de l'ion chlorure \text{Cl}^-$. Combien d'électrons sur la couche externe de \text{Cl}^-$ ?
Corrigé
a) Na : $(K)^2(L)^8(M)^1$ ; Na⁺ : $(K)^2(L)^8$ (perte d'un électron).
b) Na⁺ a sa couche L saturée à 8 électrons, structure stable comme le néon.
c) Cl : $(K)^2(L)^8(M)^7$ ; Cl⁻ : $(K)^2(L)^8(M)^8$. La couche externe M de Cl⁻ contient 8 électrons, structure stable comme l'argon.
3. Le silicium naturel est un mélange de trois isotopes : $^{28}\text{Si}$ (abondance 92,23 %), $^{29}\text{Si}$ (4,68 %) et $^{30}\text{Si}$ (3,09 %). En considérant que la masse de chaque isotope est égale à son nombre de masse (en u), calcule la masse atomique moyenne du silicium. Arrondis au centième.
Corrigé
Masse moyenne = $0,9223 \times 28 + 0,0468 \times 29 + 0,0309 \times 30 = 25,8244 + 1,3572 + 0,927 = 28,1086 \approx 28,11$ u.