Ton corps - y compris tes systèmes, organes, tissus et cellules - ainsi qu'absolument tout ce qui est tangible autour de toi - les forêts, les océans, l'air, l'eau, le soleil, les planètes, le système solaire - et fondamentalement l'univers tout entier sont constitués d'atomes ! Tout ce que tu perçois, à chaque instant à l'intérieur et à l'extérieur de toi, est le résultat de toutes les façons possibles d'organiser les atomes des \( 118 \) éléments chimiques.
Ces atomes interagissent et se regroupent en permanence pour former les molécules qui constituent absolument toute la matière existante. Cela signifie que nous sommes constitués des mêmes unités fondamentales que tous les autres êtres vivants : comme les autres mammifères, les plantes, les bactéries… Comment cela est-il possible ?
Pour savoir la réponse, veuille consulter ce résume de cours.
- Dans ce résumé de cours, nous allons étudier les unités fondamentales de la chimie : les atomes.
- Tout d'abord, nous aborderons les corps simples.
- Nous définirons l'atome et sa structure.
- Nous examinerons les isotopes avant de donner des exemples d'atomes.
- Nous verrons également comment les atomes interagissent pour former des molécules.
- Enfin, nous présenterons le tableau périodique.
Qu'est-ce qu'un corps simple ?
Les éléments chimiques sont définis comme des unités fondamentales de la matière qui ne peuvent être décomposées ou converties en d'autres substances par des réactions chimiques ordinaires.
La plus petite particule d'un corps simple qui conserve ses propriétés chimiques s'appelle un atome.
Il existe actuellement un total de \( 118 \) éléments : \( 92 \) de ces éléments existent dans la nature, tandis que les autres sont synthétisés en laboratoire et ont tendance à être instables.
Qu'est-ce qu'un atome ?
Tout ce qui existe dans le monde est constitué de minuscules particules appelées atomes. Les atomes sont si petits que leur rayon n'est que de \( 0,1 nm \) , soit \( 100 000 000 \) fois plus petit qu'un centimètre.
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 éléments sont des unités qui ne peuvent pas être décomposées ou transformées en d'autres substances par des réactions chimiques typiques.
Cela signifie que les caractéristiques de tous les atomes d'un élément sont identiques.
Un atome d'oxygène, par exemple, ne peut être décomposé en atomes plus petits sans perdre les caractéristiques de l'oxygène.
Atome : Structure
Bien que les atomes soient les plus petites unités élémentaires, ils sont constitués de composants beaucoup plus petits appelés particules subatomiques.
Fig.1- Structure d'un atome.
Celles-ci sont organisées en deux parties principales :
- Le noyau : composé de protons chargés positivement et de neutrons électriquement neutres.
- La couche électronique : un nuage d'électrons chargés négativement entourant le noyau.
Les charges électriques opposées des particules subatomiques lient les électrons au noyau, ce qui confère à l'atome une certaine stabilité structurelle.
C'est la structure fondamentale de l'atome ! Un atome de carbone, par exemple, pour être plus précis.
Fig.2- Structure atomique de carbone.
Examinons chaque particule subatomique en détail, puis comparons leurs principales caractéristiques.
Électrons
Les électrons se trouvent dans les couches électroniques, en orbite autour du noyau. Ils ont une charge négative et leur masse relative est négligeable par rapport au noyau \( \frac {1}{1840} \) .
Les électrons sont chargés négativement et tournent autour du noyau sur des orbites spécifiques, tout comme les planètes tournent autour du soleil.
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 jouent un rôle important dans les réactions chimiques. Le transfert et le partage d'électrons d'un atome à l'autre entraînent la formation de liaisons. La formation de nouvelles liaisons génère de nouvelles substances.
Les électrons sont attirés par le noyau, mais n'y tombent pas. Ils sont retenus par la force d'attraction électrostatique entre les électrons et les protons. Cela nous amène à la particule subatomique suivante…
Protons
Les protons sont des particules subatomiques chargées positivement qui font partie du noyau. Leur charge est égale à celle d'un électron, mais de signe opposé. La charge d'un proton est donc de \( +1,602 \times 10^{-19} \) coulombs.
Les protons sont \( 1 835 \) fois plus lourds que les électrons et contribuent à la masse de l'atome. La masse d'un proton est de \( 1,67262 \times 10^{-27} kg \) .
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.
Lorsque nous écrivons la charge et la masse des particules subatomiques, nous indiquons leur masse relative plutôt que leur masse réelle.
À l'exception de l'hydrogène \( H \) (qui possède un proton, un électron et pas de neutron), tous les atomes possèdent ces trois particules subatomiques.
Sais-tu que les protons et les neutrons sont divisibles ? Ils sont constitués de particules plus petites appelées quarks et gluons. Les protons contiennent trois quarks qui contribuent à leur masse, tandis que les gluons relient les quarks entre eux. Nous disons que les gluons ont une masse négligeable. Ils sont souvent appelés particules sans masse.
La masse d'un proton est d'environ \( 1,67 \times 10^{-27} kg \) . Cependant, nous mesurons généralement sa masse à l'aide de l'échelle du carbone \( 12 \) . Un atome de carbone \( 12 \) a une masse de \( 12 \) et un proton une masse d'environ \( 1 \) .
Les neutrons sont exactement ce que leur nom suggère : des particules neutres. Ils ont également une masse relative de \( 1 \) .
Isotopes
Dans les atomes d'un même élément, le nombre de neutrons peut être différent. Dans ce cas, on parle d'isotopes.
L'abondance dans la nature des isotopes d'un même élément varie souvent considérablement de même que leur stabilité (radioactivité).
Enfin, il y a les électrons. Les électrons sont des particules chargées négativement dont la masse est de \( 9,11 \times 10^{-31 }kg \) , soit une masse relative de \( \frac {1}{1840} \) sur l'échelle du carbone \( 12 \) . Les électrons ne se trouvent pas dans le noyau avec les protons et les neutrons. Ils se trouvent plutôt dans des niveaux d'énergie en orbite autour du noyau.
Le noyau est densément peuplé de protons et de neutrons, qui constituent donc la majeure partie de la masse de l'atome. Les électrons, en revanche, sont si légers qu'ils sont considérés comme insignifiants dans la détermination de la masse atomique.
La masse atomique \( A \) est la masse d'un atome, exprimée en unités de masse atomique \( u \) .
Elle peut être calculée en additionnant la masse des protons et des neutrons d'un atome. La masse atomique d'un élément peut également être déterminée en trouvant la masse moyenne de tous ses isotopes.
Un atome possède un nombre variable de particules subatomiques. Le nombre de protons dans un atome correspond à un élément particulier et est appelé numéro atomique.
Le numéro atomique \( Z \) est le nombre de protons dans l'atome. Il nous indique à quel élément l'atome appartient. Chaque élément a son propre numéro atomique.
Pour en savoir plus sur ces caractéristiques des atomes, consulte le résumé de cours "isotopes".
Exemples d'atomes
Les exemples ci-dessous illustrent les atomes des isotopes les plus abondants de chaque élément, c'est-à-dire les atomes ayant le nombre de protons le plus fréquent.
N'oublie pas la relation entre le nombre de protons et le numéro atomique (Z), et entre le nombre de protons, de neutrons et la masse atomique (A).
Examinons la structure des atomes des deuxième et troisième éléments du tableau périodique, l'hydrogène \( Z=1 \), l'hélium \( Z=2 \) et le lithium \( Z=3 \)
- L'hélium \( He \) est un gaz noble, le deuxième élément du tableau périodique et donc le deuxième élément le plus léger après l'hydrogène \( H \) . Il possède deux protons et deux neutrons dans son noyau et deux électrons en orbite autour de lui.
- Le lithium \( Li \) est un métal alcalin, qui occupe le troisième rang parmi les éléments du tableau périodique, ce qui permet de déduire qu'il possède trois protons dans son noyau.
Au fur et à mesure que l'on monte dans le tableau périodique, le numéro atomique, et donc le nombre de protons, de neutrons et d'électrons contenus dans les atomes, augmente.
Si tu regardes bien, le phosphore \( P \) est un exemple d'atome dont l'isotope le plus abondant n'est pas celui qui possède le même nombre de protons et de neutrons. Tu as vu ?
- Cet atome n'a que \( 15 \) protons et \( 16 \) neutrons ! Il s'agit du phosphore \( 31 \) .
- Le soufre-32, avec \( 16 \) protons et \( 16 \) neutrons, est l'isotope le plus abondant de cet élément.
Tu sais déjà comment la matière est classée, ce que sont les atomes et les particules subatomiques. Que se passe-t-il lorsque deux atomes ou plus se combinent : ils forment une molécule ! Sachant qu'il existe de nombreux éléments chimiques, imagine la grande variété de molécules qui peuvent être formées à partir de ces éléments !
Explorons maintenant les molécules.
Molécules
Une molécule est la plus petite partie d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques et physiques. Chaque molécule est un système composé d'un ensemble d'atomes disposés et liés entre eux.
Ces atomes peuvent être du même élément ou d'éléments différents, auquel cas, ils sont appelés composés.
Tous les composés sont des molécules, mais toutes les molécules ne sont pas des composés. Si une molécule n'est constituée que d'oxygène, il ne peut s'agir d'un composé !
Tableau périodique
Le tableau périodique des éléments est un outil essentiel dans l'étude de la chimie, et chaque lycéen l'a rencontré à un moment ou à un autre.
Le tableau périodique organise et localise tous les éléments connus en groupes, périodes, blocs, métaux, non-métaux, lanthanoïdes et actinides en fonction de leurs caractéristiques et de leurs relations les uns avec les autres.
- Dans le tableau périodique, il y a \( 7 \) lignes horizontales, c'est-à-dire \( 7 \) périodes. La période d'un élément indique le niveau d'énergie sur lequel sont placés les électrons de valence.
- Dans le tableau périodique, il y a \( 18 \) lignes verticales, soit \( 18 \) groupes.
Fig.3- Le tableau périodique
Nous espérons que ce résumé de cours t’a expliqué ce qu'est l'atome.
Atome - Points clés
- Les atomes sont les plus petites particules qui composent un élément chimique.
- Les atomes ont :
- Un noyau : composé de protons (chargés positivement) et de neutrons (chargés neutres).
- Une couche électronique : constituée d'un nuage d'électrons chargés négativement en orbite autour du noyau.
- Le numéro atomique \( Z \) d'un élément est égal au nombre de protons dans le noyau de ses atomes.
- La masse atomique \( A \) est la somme des masses des électrons et des neutrons d'un atome.
- Dans les atomes d'un même élément, le nombre de neutrons peut être différent. Dans ce cas, on parle d'isotopes.
- Une molécule est la plus petite partie d'une substance qui conserve ses propriétés chimiques et physiques.
- Le tableau périodique organise tous les éléments connus en groupes, périodes, blocs, métaux, non-métaux, lanthanoïdes et actinides en fonction de leurs caractéristiques et de leurs relations les uns avec les autres.
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