Toute substance, vivante ou inerte, est constituée d'atomes. Plusieurs découvertes ont permis d'affiner le modèle de l'atome, d'identifier ses constituants et de préciser sa structure. On regroupe sous le terme d'"éléments chimiques" les entités qui ont le même nombre de protons. Dans la nature, peu d'éléments chimiques existent sous la forme d'atomes isolés. Les autres éléments, pas assez stables sous forme d'atomes, échangent des électrons et forment des espèces chargées électriquement, appelées "ions".
Le modèle de l'atome
Les constituants de l'atome
Atome
L'atome est le constituant fondamental de la matière. Il est composé d'un noyau autour duquel des électrons sont en mouvement.
Modèle actuel de l'atome
L'unité de la charge électrique est le coulomb (C). "e" est la charge élémentaire, c'est-à-dire la plus petite charge que peut porter une particule : e = 1{,}60 \times 10^{-19} C.
Le noyau est constitué de particules appelées nucléons. Il existe deux sortes de nucléons :
- le proton, chargé positivement : qp = + e = 1{,}60 \times 10^{-19} C.
- le neutron, de charge nulle : qn = 0 C.
Le proton et le neutron ont à peu près la même masse : mnucléon= 1{,}67 \times 10^{-27} kg.
Les électrons portent eux une charge élémentaire négative -e et ont une masse beaucoup plus faible.
Un atome étant électriquement neutre, il contient autant d'électrons que de protons.
La représentation (ou notation) symbolique d'un atome
Un atome de symbole X, dont le noyau comporte Z protons et A nucléons, est noté : _{Z}^{A}X.
Numéro atomique Z
Le numéro atomique Z d'un atome correspond au nombre de protons contenus dans son noyau.
La notation symbolique d'un atome d'aluminium est _{13}^{27}Al, son numéro atomique est donc Z = 13, ce qui signifie que son noyau contient 13 protons.
Nombre de nucléons A
Le nombre de nucléons que contient le noyau d'un atome est noté A.
La notation symbolique d'un atome d'aluminium est _{13}^{27}Al, son nombre de nucléons est donc A = 27 ce qui signifie que son noyau contient 27 nucléons.
Lorsque l'on donne la composition d'un atome, il faut aussi indiquer le nombre de neutrons (égal à la différence entre le nombre de nucléons A et le numéro atomique Z) et le nombre d'électrons (égal au nombre de protons puisque l'atome est neutre) qu'il contient.
Un atome d'aluminium _{13}^{27}Al est composé de 27 nucléons (= A) dont 13 protons (= Z) et 14 neutrons (= A-Z) et aussi de 13 électrons (car un atome est neutre).
Dimension et masse de l'atome
La masse de l'atome est concentrée dans son noyau (la masse des électrons étant négligeable devant celle des nucléons). Comme les protons et les neutrons ont à peu près la même masse, une valeur approchée de la masse d'un atome peut être calculée à partir du nombre de nucléons A.
Masse approchée d'un atome
La masse d'un atome dont la notation est _{Z}^{A}X est approchée par la formule :
m_{atome} \approx A \times m_{nucléon}
Où mnucléon est la masse d'un nucléon : mnucléon = 1{,}67\times 10^{-27} kg.
La masse d'un atome d'aluminium _{13}^{27}Al est :
m_{_{13}^{27}Al} = A \times m_{n} = 27 \times 1{,}67 \times 10^{-27} = 4{,}51 \times 10^{-26} kg.
C'est pourquoi le nombre de nucléons A est aussi appelé le "nombre de masse" de l'atome.
Structure lacunaire de l'atome
L'ordre de grandeur du noyau de l'atome est 1 fm (soit 10-15 m), tandis que celui de l'atome est 0,1 nm (soit 10-10 m). Entre le noyau et les électrons qui l'entourent, il n'y a que du vide : l'atome a une structure lacunaire.
La structure électronique d'un atome
Couches électroniques autour du noyau vues en plan
Autour du noyau, les électrons sont répartis sur des couches électroniques, concentriques, qui ne peuvent contenir qu'un nombre limité d'électrons :
- La couche K est la plus proche du noyau et peut contenir au maximum 2 électrons.
- La couche L est la deuxième couche et peut contenir au maximum 8 électrons.
- La couche M est la troisième couche et peut contenir au maximum 18 électrons (même si elle contient une sous-couche pouvant accueillir 8 électrons).
Le remplissage d'une nouvelle couche commence quand la précédente est saturée (c'est-à-dire quand elle contient son nombre maximal d'électrons). La couche externe est la dernière couche occupée, les électrons qui y sont situés sont les moins liés au noyau.
Structure électronique
La structure électronique d'un atome est la répartition des électrons dans les différentes couches électroniques.
L'atome d'aluminium _{13}^{27}Al contient 13 électrons. Sa structure électronique est donc : (K)2(L)8(M)3.
Les ions monoatomiques
Définition
Ion monoatomique
Un ion monoatomique est obtenu lorsqu'un atome a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, c'est donc une espèce électriquement chargée.
- Un cation est un ion positif, formé par un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons.
- Un anion est un ion négatif, formé par un atome qui a gagné un ou plusieurs électrons.
La charge électrique de l'ion est indiquée en haut à droite du symbole de l'atome correspondant.
Lorsqu'un atome d'aluminium (\ce{Al}) perd 3 électrons, il forme le cation \ce{Al^3+}.
Lorsqu'un atome de fluor (\ce{F}) gagne 1 électron, il forme l'anion \ce{F-}.
La charge électrique d'un ion
Contrairement à un atome, un ion n'a pas le même nombre d'électrons que de protons, un type de ces particules chargées est en excès, ce qui lui confère sa charge électrique.
Charge électrique d'un ion
La charge électrique (notée q) d'un ion est égale au produit du nombre de particules chargées en excès (protons ou électrons) par la charge élementaire qu'elles portent (+e ou -e).
q_{X^{n_{-}^{+} }} = n \times \left(_{-}^{+} e\right)
La charge électrique de l'ion aluminium Al3+ est :
q_{Al^{3+}} = 3 \times e = 3 \times1{,}60\times 10^{-19} = 4{,}80\times 10^{-19} C.
La charge électrique de l'ion fluorure F- est :
q_{F^{-}} = 1 \times \left(-e\right) = 1 \times \left(-1{,}60\times 10^{-19}\right) = - 1{,}60\times 10^{-19} C.
Le noyau d'un atome peut être considéré comme un ion provenant d'un atome qui a perdu la totalité de ses électrons, sa charge électrique est :
q_{noyau} = Z \times \left(+ e\right).
La notation symbolique du noyau de l'atome d'aluminium est _{13}^{27}Al^{13+} et sa charge électrique est :
q_{Al^{13+}} = 13 \times e = 13 \times1{,}60\times 10^{-19} = 2{,}08\times 10^{-18} C.
L'élément chimique
Définition
Élément chimique
On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des entités chimiques (atomes, isotopes ou ions) caractérisées par le même numéro atomique Z (donc le même nombre de protons dans leur noyau). Les éléments chimiques sont représentés par leur symbole chimique.
L'atome d'aluminium _{13}^{27}Al et l'ion _{13}^{27}Al^{3+} correspondent au même élément chimique, l'aluminium (de symbole Al).
La conservation des éléments lors d'une transformation chimique
Conservation des éléments chimiques
Lors d'une transformation chimique, tous les éléments chimiques présents avant la transformation sont aussi présents après, et réciproquement. On dit qu'il y a conservation des éléments chimiques lors d'une transformation.
Lors de la formation de l'oxyde d'aluminium à partir d'aluminium métallique, l'élément aluminium est conservé : il est présent à l'état initial dans le métal (sous forme d'atomes \ce{Al} ) et dans l'état final dans l'oxyde (sous forme d'ions \ce{Al^3+} ).
Les tests de flamme
La couleur d'une flamme dépend des éléments chimiques qu'on y place. Cette propriété permet de réaliser des tests d'identification.
Une flamme dans laquelle on place du cuivre, que cela soit à l'état de métal (d'atomes \ce{Cu} ) ou d'ions (\ce{Cu^2+}) dans un corps composé, prend une couleur verte.
Les corps simple et composé
Corps simple
Un corps simple est un corps constitué d'un seul élément chimique.
L'aluminium métallique (Al) est constitué uniquement d'atomes d'aluminium, c'est donc un corps simple.
Corps composé
Un corps composé est un corps constitué de plusieurs éléments chimiques différents.
L'oxyde d'aluminium (\ce{Al2O3}) contient les éléments chimiques aluminium (\ce{Al}) et oxygène (\ce{O}), c'est donc un corps composé.
Les isotopes
Isotopes
Des isotopes sont des atomes ayant le même numéro atomique Z mais un nombre de nucléons A différent. Leur noyau contient donc le même nombre de protons (Z) mais pas le même nombre de neutrons (A-Z). Ils correspondent au même élément, ont les mêmes propriétés chimiques mais leur masse est différente.
L'aluminium possède 22 isotopes connus dont le nombre de nucléons varie entre 21 et 42. Leurs représentations symboliques sont _{13}^{21}Al, _{13}^{22}Al, _{13}^{23}Al,..., _{13}^{42}Al.
Les éléments chimiques existent naturellement sous différents isotopes dont l'abondance est connue.
Les ions stables formés par les éléments chimiques
La stabilité des gaz nobles
Les éléments chimiques appartenant à la famille des gaz nobles (hélium, néon, argon, etc) sont les seuls à pouvoir exister à l'état d'atomes isolés et, sauf conditions exceptionnelles, ils ne se combinent pas avec les autres éléments : ils sont très stables. Leur structure électronique fait apparaître un duet (groupe de 2) ou un octet (groupe de 8) d'électrons sur leur couche externe.
| Gaz noble | Numéro atomique Z | Structure électronique |
|---|---|---|
| Hélium (He) | 2 | (K)2 |
| Néon (Ne) | 10 | (K)2(L)8 |
| Argon (Ar) | 18 | (K)2(L)8(M)8 |
Les règles du duet et de l'octet
Les éléments chimiques autres que les gaz nobles ne sont pas stables et évoluent de manière à acquérir une structure électronique analogue au gaz noble de numéro atomique le plus proche en formant des ions ou des molécules.
Règles du duet et de l'octet
Au cours de leurs transformations chimiques :
- Les atomes de numéro atomique inférieur ou égal à 5 tendent à acquérir la structure électronique en duet ((K)2) de l'hélium.
- Les atomes de numéro atomique supérieur ou égal à 6 tendent à acquérir une structure électronique externe en octet ((L)8 ou (M)8 par exemple, analogue à celle du néon ou de l'argon).
Le lithium, de numéro atomique Z = 3, a pour structure électronique (K)2(L)1. Conformément à la règle du duet, il forme l'ion stable \ce{Li+} en perdant un électron (l'ion \ce{Li+} ne possédant plus que deux électrons, sa structure électronique est bien un duet : (K)2).
L'oxygène, de numéro atomique Z = 8, a pour structure électronique (K)2(L)6. Conformément à la règle de l'octet, il forme l'ion stable \ce{O^2-} en gagnant deux électrons (l'ion \ce{O^2-} possédant 10 électrons, sa structure électronique externe est bien un octet : (K)2(L)8).
Les ions formés sont ceux qui font intervenir le plus petit nombre d'électrons.
L'aluminium, de numéro atomique Z = 13, a pour structure électronique (K)2(L)8(M)3. Pour respecter la règle de l'octet, il perdra trois électrons et formera l'ion \ce{Al^3+} plutôt que de gagner cinq électrons pour former l'ion \ce{Al^5-}.
Applications
Application au thème de l'Univers
Selon le modèle du Big Bang, quelques secondes après la naissance de l'Univers, les seuls éléments chimiques présents étaient l'hydrogène et l'hélium. C'est au sein des étoiles que se forment les autres éléments chimiques.
L'analyse des corps constituant les roches d'une planète nous apprend beaucoup sur sa formation et les conditions qui y règnent (pression, température, atmosphère, etc).
La planète Mars doit sa couleur rouge à la présence à sa surface de nombreuses roches riches en oxydes de fer, tel l'oxyde de fer III \ce{Fe2O3}, corps composé d'ions fer III \ce{Fe^3+} et d'ions oxygène \ce{O^2-}. La présence de ces roches met en évidence le caractère oxydant de l'atmosphère martienne.
Application au thème de la santé
Le corps humain contient beaucoup d'éléments chimiques dont l'analyse permet d'orienter un diagnostic médical.
Dans les laboratoires d'analyses, les photomètres de flamme exploitent la couleur de flamme induite par les éléments chimiques pour doser certains ions ( \ce{Na+}, \ce{K+}, \ce{Li+}, \ce{Ca^2+}, etc).
En cas de bilan anormal (déficience ou excès), une adaptation alimentaire ou un traitement médicamenteux peut être envisagé.
Les ions métalliques (comme \ce{Li+}, \ce{Mg^2+}, \ce{Fe^2+}, \ce{Fe^3+}, etc.) sont indispensables au bon fonctionnement de l'organisme humain, qui ne peut pas les synthétiser. Ils doivent donc être apportés par une alimentation équilibrée et au besoin par des compléments alimentaires ou des médicaments.