Tout ce qui occupe de l'espace dans l'univers est constitué de matière. La matière est ensuite composée de différents éléments, parfois appelés les blocs de construction de la matière. Tout, des animaux aux roches en passant par la planète Jupiter, est constitué d'éléments.
Il y a environ \( 14 \) milliards d'années, l'univers a été créé par le "Big Bang". À cette époque, l'univers était extrêmement chaud et les éléments n'ont pu se former que des millions d'années plus tard. Une fois l'univers refroidi, les éléments les plus simples et les plus légers se sont formés, dont l'atome d'hydrogène.
L'atome se compose de trois éléments principaux, ou particules subatomiques, et chaque élément possède un nombre différent de ces composants. Les trois particules subatomiques sont appelées protons, neutrons et électrons.
- Ce résumé de cours porte sur l'atome d'hydrogène.
- Tout d'abord nous allons définir l'atome et les particules subatomiques qu'il constitue proton, neutron et électron.
- Ensuite, nous examinerons l'expérience qui permet de déterminer la charge d'électron.
- Nous explorerons l'atome d'hydrogène et ces propriétés.
- Nous aborderons la position de l'atome d'hydrogène dans le tableau périodique.
- Nous présenterons les orbitales atomiques et l'atome hydrogénoïde.
- Enfin, nous verrons comment les atomes d'hydrogène forment une liaison covalente.
Qu'est-ce qu'un atome ?
La matière est tout ce qui a une masse et occupe de l'espace. Les éléments sont des types de matière qui possèdent des propriétés chimiques et physiques spécifiques et ne peuvent être décomposés en d'autres substances. Les atomes sont les unités individuelles de chaque élément.
L'atome est la plus petite particule qui compose un élément chimique et qui en conserve toutes les propriétés. Par exemple : son état physique, sa façon de réagir et de créer des liaisons chimiques.
Les atomes ont une structure interne et sont constitués de particules subatomiques. Le préfixe "sub" signifiant "inférieur", les particules subatomiques sont donc des particules plus petites qu'un atome.
Structure atomique
De quoi sont faits les atomes ? Les parties d'un atome sont appelées particules subatomiques et constituent l'atome. Il existe trois particules subatomiques principales :
- Protons ;
- Neutrons ;
- Électrons.
Pour plus de détails consulte le résumé de cours "Atome".
Proton
Le proton est une particule chargée positivement qui se trouve dans le noyau d'un atome.
Les protons sont \( 1835 \) fois plus lourds que les électrons et contribuent à la masse de l'atome. La masse d'un proton est de \( 1.67262 \times 10^{-27}Kg \) .
Le nombre de protons dans un atome est appelé numéro atomique. Le numéro atomique définit un atome comme un élément spécifique.
Le numéro atomique reste généralement le même pour un atome donné, car les protons n'interviennent pas dans les réactions chimiques normales.
Les réactions nucléaires peuvent modifier le nombre de protons d'un élément. Dans ce processus, si le nombre de protons change, l'atome change également l'élément auquel il appartient.
Neutrons
Les neutrons se trouvent dans le noyau de l'atome. Ils ne sont pas chargés et ont une masse relative de \( 1 \) . Les neutrons sont neutres. Ils n'ont pas de charge électrique.
La masse du neutron est de \( 1.674 \times 10^{-27}Kg \) , légèrement supérieure à celle du proton. Les protons et les neutrons contribuent ensemble à la masse maximale de l'atome.
Les protons et les neutrons sont appelés "nucléons" car ils résident dans le noyau.
Électron
Un électron est une particule subatomique qui porte une charge négative.
Les électrons se trouvent dans les couches électroniques, en orbite autour du noyau. Leur masse relative est négligeable par rapport au noyau \( \frac{1}{1840} \) .
La charge d'un électron est de \( -1.602 \times 10^{-19} \) coulombs et sa masse est de \( 9.109 \times 10^{-31} Kg \) . Comme tu peux l'observer, la masse d'un électron est négligeable, elle ne contribue pas à la masse de l'atome.
Les électrons sont très importants parce qu'ils participent aux réactions chimiques qui produisent des molécules. Les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons, ou partager des électrons avec d'autres atomes afin de former des liaisons chimiques. Lorsque deux atomes échangent des électrons, la liaison est appelée liaison ionique. Lorsque deux atomes partagent des électrons, la liaison est appelée liaison covalente.
Les électrons ayant une charge négative, le fait de gagner ou de perdre des électrons crée des ions, c'est-à-dire des atomes chargés. Lorsqu'un atome perd un électron, il perd une charge négative et gagne donc une charge positive, appelée cation. Lorsque les atomes gagnent des électrons, ils acquièrent une charge négative et deviennent donc plus négatifs, ce qu'on appelle un anion.
Comment la "charge e" a été déterminée ?
En \( 1909 \) , Robert Millikan et Harvey Fletcher ont réalisé l'expérience de la goutte d'huile afin de déterminer la charge spécifique d'un seul électron. Cette expérience est également connue aujourd'hui sous le nom d'expérience de Millikan.
La charge spécifique d'un électron est de \( -1.6 \times 10^{-19} \) coulombs.
Dans l'expérience de Millikan, deux plaques métalliques horizontales ont été placées l'une au-dessus de l'autre, avec une substance isolante entre elles. Le matériau isolant était percé de quatre trous, trois pour laisser passer la lumière et un pour l'examen au microscope.
La charge d'un électron étant liée à sa masse, la détermination de la charge spécifique d'un électron signifiait également que la masse d'un électron était déterminée.
La détermination de la charge spécifique d'un électron a également permis de comprendre la structure d'un atome puisque la masse a été découverte.
Plus tard, le proton et le neutron ont été découverts et nous savons aujourd'hui que le rapport de masse entre le proton et l'électron est de \( \frac {m_p}{m_e} = 1836.15 \) . Cela permet également de comprendre le rôle des particules subatomiques et la part de la masse de l'atome qu'elles couvrent.
Qu'est-ce qu'un atome d'hydrogène ?
L'hydrogène est un élément, donc une substance pure. Son atome est extrêmement simple, avec un seul électron et un seul proton.
L'hydrogène est un gaz incolore et inodore qui est l'élément le plus simple qui existe. C'est l'élément le plus abondant dans tout l'univers, puisqu'il constitue plus de \( 90 \% \) de tous les atomes. L'atome d'hydrogène se trouve dans les étoiles et constitue l'un des types de carburant qu'elles brûlent. L'état habituel de l'hydrogène est un gaz en raison de ses points de fusion et d'ébullition extrêmement bas.
Quelles sont les propriétés de l'atome d'hydrogène ?
L'atome d'hydrogène possède plusieurs propriétés physiques et chimiques. La liste suivante détaille certaines de ces propriétés.
- L'atome d'hydrogène est le premier élément du tableau périodique, son numéro atomique est donc \( 1 \) .
- La masse atomique de l'atome d'hydrogène est de \( 1,008 \) \( amu \) (unité de masse atomique).
- Un atome d'hydrogène est constitué d'un électron et d'un noyau composé d'un proton.
- Le point d'ébullition de l'hydrogène est de \( -252,77 \ ^oC \) .
- Le point de fusion est de \( -259,20 \ ^oC \) .
- L'hydrogène a la densité la plus faible de tous les éléments.
- L'hydrogène est extrêmement inflammable en présence d'oxygène. Lorsqu'il brûle, l'hydrogène émet de grandes quantités de chaleur et de lumière.
- L'eau est le produit résiduel de la combustion de l'hydrogène et de l'oxygène.
- L'atome d'hydrogène peut avoir une charge positive, comme les métaux alcalins ou négative, comme les halogènes.
Tableau périodique : Atome d'hydrogène
Le tableau périodique classe les éléments en fonction de leur numéro atomique, qui indique le nombre de protons dans le noyau. Les protons et les neutrons d'un atome constituent la masse atomique de l'élément. La masse atomique augmente donc au fur et à mesure que l'on se déplace dans le tableau périodique.
Les colonnes verticales du tableau sont appelées groupes et les lignes horizontales sont appelées périodes. Il existe des tendances ou des caractéristiques communes entre les éléments d'une même période et d'un même groupe.
L'hydrogène est le premier élément du tableau périodique et se trouve dans le coin supérieur gauche. Dans le tableau périodique, l'atome d'hydrogène \( H \) fait partie du groupe \( 1 \) et de la période \( 1 \) .
Le groupe \( 1 \) comprend les métaux alcalins. L'hydrogène est classé comme un non-métal sous la plupart de ses formes, mais lorsqu'il est comprimé en un solide, il s'agit d'un métal alcalin. Ce groupe a pour caractéristique commune d'avoir une configuration électronique similaire dans sa couche externe et comprend des éléments tels que le lithium, le sodium et le potassium.
La période \( 1 \) est la période la plus courte du tableau périodique. Elle ne contient que deux éléments, l'hydrogène et l'hélium. Il existe de nombreuses différences entre ces deux éléments, mais ils appartiennent à la même période en raison de la configuration de leurs électrons. Ces deux éléments n'ont qu'une seule couche d'énergie pour contenir leurs électrons.
Fig. 1- Tableau périodique.
Isotopes de l'hydrogène
Les trois isotopes de l'hydrogène ont la même configuration électronique. C'est pourquoi ils présentent pratiquement les mêmes propriétés chimiques, mais leurs propriétés physiques diffèrent largement en raison de leurs différences de masse. Parmi les trois isotopes, le protium est l'isotope de l'hydrogène le plus courant, que l'on trouve en abondance dans la nature.
| Isotopes | Numéro atomique | Masse atomique | Nombre de neutrons | Nombre de protons | Symbole |
| Protium | \( 1 \) | \( 1 \) | \( 0 \) | \( 1 \) | \( ^1 _{1} H \) |
| Deutérium | \( 1 \) | \( 2 \) | \( 1 \) | \( 1 \) | \( ^2 _{1} H \) |
| Tritium | \( 1 \) | \( 3 \) | \( 2 \) | \( 1 \) | \( ^3 _{1} H \) |
Tableau d'isotopes d'hydrogène
Orbitales atomiques
Les orbitales atomiques sont des fonctions mathématiques qui permettent de comprendre la nature ondulatoire des électrons (ou des paires d'électrons) qui existent autour des noyaux des atomes.
Dans les domaines de la mécanique quantique et de la théorie atomique, ces fonctions mathématiques sont souvent utilisées pour déterminer la probabilité de trouver un électron (appartenant à un atome) dans une région spécifique autour du noyau de l'atome.
Atome hydrogénoïde
L'atome hydrogénoïde est une structure atomique simple qui ne possède qu'un seul électron.
Les orbitales atomiques estimées pour les systèmes comportant un seul électron, comme l'atome d'hydrogène, sont les plus simples. Un atome de n'importe quel autre élément ionisé jusqu'à un seul électron possède des orbitales assez semblables à celles de l'hydrogène. Les orbitales atomiques sont les états propres de l'opérateur hamiltonien pour l'énergie dans l'équation de Schrödinger pour ce système d'une particule négative et d'une particule positive.
Liaison covalente
Une liaison covalente est l'un des deux principaux types de liaisons chimiques qui se produisent entre les atomes d'un élément. La liaison implique les minuscules particules subatomiques d'un atome, appelées électrons. Une liaison chimique crée un nouveau composé ou une nouvelle molécule.
Une liaison covalente est une paire d'électrons partagée.
Comment les atomes d'hydrogène forment-ils une liaison covalente ?
Les atomes d'hydrogène forment une liaison covalente lorsqu'ils partagent leur électron de valence avec un autre atome.
Une liaison covalente est une liaison dans laquelle deux ou plusieurs atomes partagent des électrons. Le partage des atomes permet de compléter la couche externe, ou couche de valence, des deux atomes.
Les électrons de valence sont les électrons de la couche externe d'un atome. L'hydrogène ne possédant qu'un seul électron au total, il s'agit également de son seul électron de valence.
Dans une liaison covalente, les atomes partagent des électrons afin de remplir leur couche externe et de devenir stables. L'atome d'hydrogène a besoin de deux électrons dans sa couche externe pour devenir stable, et doit donc se lier pour y parvenir.
Le méthane, ou \( CH_4 \) , est un exemple de composé comportant des liaisons covalentes impliquant de l'atome d'hydrogène. Un atome de carbone possède quatre électrons de valence et a besoin de quatre b supplémentaires pour atteindre huit électrons et devenir stable.
Quatre atomes d'hydrogène partagent donc leur électron de valence avec chacun des quatre électrons de valence du carbone. Cela donne huit électrons de valence pour le carbone et deux pour l'atome d'hydrogène, créant ainsi une couche externe complète pour les deux et un composé stable.
Atome d'hydrogène - Points clés
- L'atome est la plus petite particule qui compose un élément chimique et qui en conserve toutes les propriétés.
- Il existe trois particules subatomiques principales qui constituent l'atome : protons, neutrons et électrons.
- La charge spécifique d'un électron est de \( -1.6 \times 10^{-19} \) coulombs.
- L'hydrogène est un élément. Son atome est extrêmement simple, avec un seul électron et un seul proton.
- Dans le tableau périodique l'atome d'hydrogène \( H \) fait partie du groupe \( 1 \) et de la période \( 1 \) .
- L'atome hydrogénoïde est une structure atomique simple qui ne possède qu'un seul électron.
- Les atomes d'hydrogène forment une liaison covalente lorsqu'ils partagent leur électron de valence avec un autre atome.
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Questions fréquemment posées en Atome d'hydrogène
Quels sont les atomes d'hydrogène ?
Les atomes d'hydrogène sont les plus simples de tous les atomes : ils sont constitués d'un seul proton et d'un seul électron. Outre la forme la plus courante de l'atome d'hydrogène, appelée protium, il existe deux autres isotopes de l'hydrogène : le deutérium et le tritium.
Quelle est la charge de l'atome de l'hydrogène ?
La charge de l'atome de l'hydrogène est globalement neutre parce qu'il possède un proton, qui a une charge positive, et un électron chargé négativement. Lorsqu'il perd cet électron pour former un ion, ce dernier a une charge positive de +1.
Pourquoi l'atome d'hydrogène n'a pas de neutrons ?
L'atome d'hydrogène n'a pas de neutrons parce qu'il n'a qu'un seul proton, il n'y a pas de répulsion d'où l'inutilité d'un neutron.
Quel est le nom de l'atome d'hydrogène ?
Le nom de l'atome d'hydrogène est le protium.
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