Contrôle sur l'atome bientôt et tu croises le mot « proton » pour la première fois à l'instant ? Respire. En dix minutes de lecture, tu auras l'essentiel pour t'en sortir honorablement. Ici on garde le strict nécessaire, rien de plus.
L'atome en une image
Retiens d'abord le décor. Un atome, c'est un tout petit noyau au centre, autour duquel se répartissent des électrons rangés sur des couches.
Le noyau contient deux sortes de particules : les protons (chargés positivement, $+e$) et les neutrons (sans charge). Les électrons, eux, sont chargés négativement ($-e$) et restent autour du noyau.
Le point qui rassure : un atome est électriquement neutre. Il y a donc toujours autant d'électrons que de protons.
Les formules à connaître par cœur
Trois lettres, trois idées. Apprends-les, elles reviennent partout.
$Z$, le numéro atomique : c'est le nombre de protons du noyau. Comme l'atome est neutre, c'est aussi le nombre d'électrons.
$A$, le nombre de masse : c'est le nombre de particules du noyau, donc les protons plus les neutrons : $A = Z + N$.
$N$, le nombre de neutrons : on le retrouve par soustraction : $N = A - Z$.
Tout ça se lit sur une seule écriture, la notation symbolique : $${}^{A}_{Z}\text{X}$$ où $\text{X}$ est le symbole de l'élément (Na, O, C...), $A$ est en haut et $Z$ en bas, à gauche du symbole.
Un exemple traité en entier : le sodium
On te donne le sodium $${}^{23}_{11}\text{Na}$$ et on demande sa composition. On déroule.
Étape 1. Je lis le nombre du bas : $Z = 11$. Le noyau a donc 11 protons.
Étape 2. L'atome est neutre, il a donc aussi 11 électrons.
Étape 3. Je lis le nombre du haut : $A = 23$. C'est le nombre de masse.
Étape 4. Je calcule les neutrons : $N = A - Z = 23 - 11 = 12$. Le noyau a donc 12 neutrons.
Bilan : 11 protons, 12 neutrons, 11 électrons. Si on te demande ça au contrôle, tu sais déjà répondre.
Le nom te revient : noyau, électrons, ces fameuses couches K, L, M... On reprend tout proprement, dans l'ordre, avec les vraies définitions, pour que la notion tienne debout toute seule dans ta tête.
Le vocabulaire, posé proprement
Reprenons chaque mot avec sa définition exacte.
Le noyau est la partie centrale de l'atome : très petit, très dense, il concentre l'essentiel de la matière. Il rassemble deux types de particules, les nucléons :
— les protons, de charge électrique positive $+e$ ;
— les neutrons, électriquement neutres.
Autour du noyau, les électrons (charge $-e$) forment un nuage et se répartissent sur des couches électroniques notées K, L, M, numérotées à partir du noyau (K est la plus proche).
Neutralité électrique : dans un atome, le nombre d'électrons est toujours égal au nombre de protons $Z$. Les charges $+e$ et $-e$ se compensent exactement.
Notation symbolique et les trois nombres
Toute l'identité de l'atome tient dans l'écriture $${}^{A}_{Z}\text{X}$$
$Z$ — numéro atomique (en bas) : nombre de protons, égal au nombre d'électrons. C'est $Z$ qui définit l'élément chimique : changer $Z$, c'est changer d'élément.
$A$ — nombre de masse (en haut) : nombre total de nucléons, soit $A = Z + N$.
$N$ — nombre de neutrons : obtenu par $N = A - Z$.
Ces relations se réarrangent selon ce qu'on cherche : $A = Z + N$, $\;N = A - Z$, $\;Z = A - N$.
Les couches électroniques : méthode de remplissage
Les électrons ne se posent pas n'importe où : ils remplissent des couches successives, chacune ayant une capacité maximale fixe.
— Couche K (la plus proche du noyau) : au maximum 2 électrons.
— Couche L : au maximum 8 électrons.
— Couche M : au maximum 8 électrons (au programme de 2nde).
On écrit la configuration électronique sous la forme $(K)^{n_1}(L)^{n_2}(M)^{n_3}$, où chaque exposant donne le nombre d'électrons de la couche.
Méthode, pas à pas :
1. Relever $Z$ : c'est le nombre total d'électrons à placer.
2. Remplir d'abord la couche K (jusqu'à 2).
3. Puis la couche L (jusqu'à 8).
4. Puis la couche M si besoin (jusqu'à 8).
5. Vérifier : la somme des exposants doit valoir $Z$.
Exemples : carbone $Z = 6$ donne $(K)^2(L)^4$ ; sodium $Z = 11$ donne $(K)^2(L)^8(M)^1$ ; chlore $Z = 17$ donne $(K)^2(L)^8(M)^7$.
Assez de théorie, on prend le crayon. On fait trois exemples ensemble, ligne par ligne : tu regardes par-dessus mon épaule, je commente chaque étape. Rien à faire seul ici, juste à suivre le raisonnement.
Exemple 1 — lire une notation : l'aluminium
On nous donne $${}^{27}_{13}\text{Al}$$ et on veut tout : protons, neutrons, électrons. On y va ensemble.
Ligne 1. Le nombre en bas, c'est $Z$ : ici $Z = 13$. Donc 13 protons dans le noyau.
Ligne 2. Atome neutre, donc autant d'électrons que de protons : 13 électrons.
Ligne 3. Le nombre en haut, c'est $A$ : ici $A = 27$.
Ligne 4. Les neutrons : $N = A - Z = 27 - 13 = 14$. Donc 14 neutrons.
Réflexe utile : $Z$ et $A$ ne se confondent jamais. $Z$ est le petit (protons), $A$ est le grand (protons + neutrons).
Exemple 2 — écrire une configuration : le chlore
On veut la configuration électronique du chlore, $Z = 17$. On remplit couche par couche.
Étape 1. Nombre d'électrons à placer : $Z = 17$.
Étape 2. Je remplis K, capacité 2 : $(K)^2$. Il me reste $17 - 2 = 15$ électrons.
Étape 3. Je remplis L, capacité 8 : $(L)^8$. Il me reste $15 - 8 = 7$ électrons.
Étape 4. Je place le reste sur M : $(M)^7$ ($7$ est bien $\le 8$, c'est permis).
Étape 5. Vérification : $2 + 8 + 7 = 17 = Z$. Parfait.
Configuration finale : $(K)^2(L)^8(M)^7$.
Exemple 3 — remonter d'une configuration à l'atome
On inverse le sens. On te donne la configuration $(K)^2(L)^8(M)^2$ et on demande : de quel atome s'agit-il ?
Étape 1. Je compte les électrons : $2 + 8 + 2 = 12$.
Étape 2. L'atome étant neutre, ce nombre d'électrons est aussi $Z$ : donc $Z = 12$.
Étape 3. L'élément de numéro atomique $Z = 12$ est le magnésium (symbole Mg).
Moralité : la configuration et $Z$ portent la même information. On passe de l'un à l'autre simplement en additionnant (ou en replaçant) les électrons.
Là on vise les points du contrôle. Les subtilités qui font la différence, un exercice type résolu en entier, et surtout les pièges où la moitié de la classe se fait avoir sans s'en rendre compte.
Problème type entièrement résolu
Énoncé. On considère l'atome de soufre $${}^{32}_{16}\text{S}$$ Déterminer : (a) le nombre de protons, (b) le nombre de neutrons, (c) le nombre d'électrons, (d) la configuration électronique.
(a) Protons. Le numéro atomique est $Z = 16$, donc le noyau contient 16 protons.
(b) Neutrons. Le nombre de masse est $A = 32$. On écrit d'abord la relation, puis on applique : $N = A - Z$, soit $N = 32 - 16 = 16$. Il y a 16 neutrons.
(c) Électrons. L'atome est neutre : il possède autant d'électrons que de protons, soit 16 électrons.
(d) Configuration. Je place 16 électrons : K prend 2 (reste 14), L prend 8 (reste 6), M prend 6. D'où $(K)^2(L)^8(M)^6$.
Vérification. $2 + 8 + 6 = 16 = Z$. Cohérent.
Ce que le correcteur attend, et les pièges
Ce qui rapporte les points.
— Justifier le nombre d'électrons par la neutralité (« l'atome est neutre, donc autant d'électrons que de protons »), pas seulement l'affirmer.
— Écrire la relation littérale avant l'application numérique : $N = A - Z$ puis $N = 32 - 16 = 16$.
— Terminer une configuration par la vérification : la somme des exposants doit égaler $Z$.
Les pièges classiques.
— Confondre $Z$ et $A$ : $Z$ compte les protons (et les électrons), $A$ compte les nucléons (protons + neutrons).
— Écrire $N = A$ au lieu de $N = A - Z$.
— Dépasser une capacité : on doit avoir $K \le 2$, $L \le 8$, $M \le 8$.
— Sauter une couche : on remplit toujours K avant L, et L avant M. Une écriture comme $(K)^2(M)^6$ est fausse tant que L n'est pas remplie.
Tu maîtrises l'atome ? Regardons ce qu'on en fait ensuite : les ions, la stabilité chimique, et pourquoi la classification périodique n'est rien d'autre que ces couches électroniques rangées dans un tableau.
De l'atome à l'ion : la règle du duet et de l'octet
Jusqu'ici l'atome est neutre. Mais il peut gagner ou perdre des électrons : il devient alors un ion, chargé. Le noyau, lui, ne bouge pas, donc $Z$ reste le même.
Pourquoi un atome ferait-il ça ? Parce qu'il « cherche » une configuration stable, c'est-à-dire une couche externe saturée. Les atomes légers visent 2 électrons sur K (règle du duet), les autres visent 8 électrons sur leur couche externe (règle de l'octet), comme les gaz nobles.
Exemple. Le sodium $(K)^2(L)^8(M)^1$ n'a qu'un seul électron sur M. En le perdant, il devient l'ion $\text{Na}^+$ de configuration $(K)^2(L)^8$ : couche externe pleine, comme le néon. Voilà pourquoi le sodium forme si facilement l'ion $\text{Na}^+$.
Le lien avec la classification périodique
Ce n'est pas un hasard si le tableau périodique est rangé comme il l'est : il traduit directement les couches électroniques.
— Le numéro de la ligne (la période) correspond au nombre de couches occupées : les atomes qui n'utilisent que K sont sur la 1re ligne, ceux qui remplissent L sur la 2e, ceux qui remplissent M sur la 3e.
— Le numéro de colonne est lié au nombre d'électrons de la couche externe. C'est ce qui explique que des éléments d'une même colonne aient des propriétés chimiques voisines.
Autrement dit, la configuration électronique que tu sais maintenant écrire est la clé de lecture de tout le tableau : c'est le sujet de la fiche « Classification périodique ».
Un aperçu pour l'an prochain
Deux prolongements t'attendent.
Un modèle plus fin. Le rangement K, L, M de 2nde est une version simplifiée. Plus tard, ces couches se subdivisent en sous-couches (notées s, p, d...) avec un ordre de remplissage plus riche, mais l'idée « les électrons occupent des niveaux successifs » reste exactement la même.
Un ordre de grandeur qui donne le vertige. Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome tout entier. La matière qui te paraît solide est donc, à l'échelle atomique, essentiellement du vide : presque toute la masse est concentrée dans ce minuscule noyau, tandis que les électrons occupent tout le volume.
Une justification à méditer. Comme le proton et le neutron sont bien plus lourds que l'électron, connaître $A$ (le nombre de nucléons) suffit à estimer la masse de l'atome : les électrons n'y pèsent presque rien.