Le noyau de l'atome et le cortège électronique

Le noyau de l'atome et le cortège électronique

Décrire ce qui se passe au cœur de l'atome, du noyau jusqu'aux familles du tableau périodique.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

identifier la composition d'un noyau et utiliser la notation ^A_ZX ; reconnaître des noyaux isotopes ;

écrire la configuration électronique fondamentale d'un atome (Z ≤ 18) avec les sous-couches 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ; identifier les électrons de valence ;

situer un élément dans le tableau périodique ;

reconnaître les grandes familles (alcalins, halogènes, gaz nobles).

Au cœur de l'atome : le noyau

Le noyau d'un atome est constitué de deux types de particules, qu'on appelle ensemble les nucléons :

Protons chargés positivement (+e), leur nombre définit l'élément chimique.

Neutrons électriquement neutres, ils stabilisent le noyau.

Numéro atomique et nombre de masse Z = numéro atomique = nombre de protons.

A = nombre de masse = nombre total de nucléons (protons + neutrons).

Le nombre de neutrons est donc N = A - Z.

On résume tout cela dans la notation conventionnelle :

^A_ZX où X est le symbole de l'élément chimique.

Exemple : l'oxygène 16 ^16_ 8O contient 8 protons (donc Z = 8, c'est l'oxygène) et 16 − 8 = 8 neutrons. L'atome neutre possède aussi 8 électrons.

Atomes isotopes

Isotopes Deux atomes sont isotopes s'ils ont le même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différent. Ils appartiennent au même élément chimique (même nombre de protons), mais leur noyau a un nombre de neutrons différent.

Exemple, les trois isotopes naturels du carbone :

Carbone 12 ^12_ 6C · stable · ≈ 99 % Carbone 13 ^13_ 6C · stable · ≈ 1 % Carbone 14 ^14_ 6C · instable · datation À retenir

Tous les isotopes du carbone ont Z = 6 protons (sinon ce ne serait plus du carbone). Ce qui change, c'est le nombre de neutrons : 6, 7 ou 8.

Et les isotopes de l'hydrogène ?

L'hydrogène ^1_1H (1 proton, 0 neutron) a deux isotopes : le deutérium ^2_1H (1 p + 1 n) et le tritium ^3_1H (1 p + 2 n, instable). Ce sont eux qui interviennent dans les réactions de fusion nucléaire.

Autour du noyau : le cortège électronique

Autour du noyau gravitent les électrons, chargés négativement (−e). Dans un atome neutre, il y a autant d'électrons que de protons, soit Z électrons.

Le cortège électronique L'ensemble des électrons qui entourent le noyau forme le cortège électronique. Ces électrons ne se rangent pas n'importe comment : ils se répartissent par couches et sous-couches d'énergies bien définies.

Notation Les couches sont numérotées n = 1, 2, 3,. Chaque couche contient une ou plusieurs sous-couches notées s, p, …

Sous-couches s et p : capacités

Au programme de seconde, on ne rencontre que deux types de sous-couches : s et p. Chacune a une capacité maximale d'électrons.

Sous-couche s au maximum 2 électrons Sous-couche p au maximum 6 électrons Bon à savoir

La couche n = 1 ne contient qu'une seule sous-couche : 1s. La couche n = 2 en contient deux : 2s et 2p. Idem pour n = 3 avec 3s et 3p.

Ordre de remplissage des sous-couches

Règle d'ordre Pour Z ≤ 18, on remplit les sous-couches dans l'ordre énergétique :

1s → 2s → 2p → 3s → 3p Une sous-couche doit être saturée (pleine) avant que la suivante ne commence à se remplir.

Une nouvelle période commence dès que la configuration utilise une nouvelle valeur de n.

Écrire une configuration : exemple du silicium

Configuration électronique La configuration électronique d'un atome à l'état fondamental décrit la répartition de ses électrons sur les sous-couches, par énergie croissante.

Silicium (Z = 14) On place les 14 électrons en respectant l'ordre et les capacités :

Si : 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2 Vérification : 2 + 2 + 6 + 2 + 2 = 14.

Configuration du silicium (Z = 14), les couches 1 et 2 sont saturées, la couche n = 3 est la couche externe.

Couche et électrons de valence

Couche de valence C'est la couche externe de l'atome, c'est-à-dire celle de n le plus élevé dans la configuration. Les électrons qui s'y trouvent sont les électrons de valence.

Ce sont eux qui déterminent les propriétés chimiques de l'élément : sa réactivité, les ions qu'il forme, les liaisons qu'il contracte.

Application : silicium Configuration : 1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^2. Couche externe : n = 3. Électrons de valence : 2 + 2 = 4.

Astuce de comptage On additionne tous les électrons situés sur la couche de plus grand n, peu importe la sous-couche (s ou p).

Le tableau périodique

En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev classe les éléments dans un tableau pour mettre en évidence, et prédire, leurs propriétés chimiques. Le tableau actuel comporte 7 lignes appelées périodes et 18 colonnes appelées familles.

Au programme de seconde On se limite au tableau périodique simplifié : les 18 premiers éléments, soit les 3 premières périodes. Les éléments y sont rangés par numéro atomique Z croissant.

Tableau périodique simplifié (3 premières périodes) : la première colonne du bloc p porte le numéro 13, car les colonnes 3 à 12 n'apparaissent qu'à partir de la 4ᵉ période.

Lien position ↔ configuration

Période (ligne) Le numéro de la période correspond au numéro de la couche de valence (n le plus élevé).

Famille (colonne) Les éléments d'une même colonne ont le même nombre d'électrons de valence et donc des propriétés chimiques voisines.

Bloc s (colonnes 1 et 2) et bloc p (colonnes 13 à 18).

blocks Méthode : situer un élément Écrire la configuration électronique.

Repérer la couche de valence ( n max) → donne la période.

Compter les électrons de valence → donne la colonne (1 ou 2 dans le bloc s ; pour le bloc p, ajouter 10 au nombre d'électrons de valence).

Les grandes familles chimiques

Une famille chimique regroupe les éléments d'une même colonne : ils ont le même nombre d'électrons de valence et présentent donc des propriétés très similaires.

Alcalins (col. 1) Li, Na, K…, 1 e⁻ de valence. Très réactifs avec l'eau.

Halogènes (col. 17) F, Cl, Br…, 7 e⁻ de valence. Forment facilement l'ion X⁻.

Gaz nobles (col. 18) He, Ne, Ar…, couche de valence saturée. Quasi inertes chimiquement.

Lignes = périodes, colonnes = familles.

families

Ce qu'il faut retenir

Les électrons d'un atome se répartissent dans des couches (n = 1, 2, 3) et sous-couches s (max 2 e⁻) et p (max 6 e⁻).

Pour Z ≤ 18, l'ordre de remplissage est 1s → 2s → 2p → 3s → 3p. Une sous-couche doit être saturée avant d'en commencer une nouvelle.

La couche de valence est la couche externe (n max). Ses électrons (les électrons de valence) déterminent les propriétés chimiques.

Dans le tableau périodique : période = n de la couche de valence ; colonne = liée au nombre d'électrons de valence (bloc s : 1–2 ; bloc p : 13–18).

Mêmes électrons de valence ⇒ même famille chimique : alcalins (col. 1), halogènes (col. 17), gaz nobles (col. 18).