Fiche explicative de la leçon : La structure des atomes Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à décrire la structure de l’atome, de quoi sont composés les atomes, et à comparer leur taille à celle des objets du quotidien.

Les hommes se sont demandé de quoi était constitué le monde pendant des milliers d’années. C’est Démocrite, un ancien philosophe grec, qui a proposé l’hypothèse que le monde soit formé d’atomes indivisibles, il y a environ deux millecinqcentans. Les scientifiques ont progressivement affiné cette idée et sont arrivés à une meilleure compréhension de ce qu’est un atome et de comment le décrire.

Définition : Atome

Les atomes sont les unités de base de la matière utilisées pour comprendre les propriétés physiques et chimiques des éléments du tableau périodique.

Les atomes peuvent être considérés comme des unités fondamentales de la matière chimique, car ils constituent tous les éléments. Le diamètre d’un atome est d’environ un dix milliardième de mètre. Cette affirmation peut être reformulée en disant que la taille moyenne d’un atome est d’environ 0,0000000001 m ou 1×10m. Un atome est approximativement 100 000 000 fois plus petit qu’un seul grain de sable et 1 000 000 fois plus petit qu’une orange de taille moyenne.

L’image suivante montre pourquoi un objet de la taille d’une orange doit être agrandi 100 millions de fois avant de pouvoir observer ses atomes. L’image sur la gauche montre une orange d’environ 100 mm ou 10 cm de large. Les vignettes suivantes montrent l’effet de l’agrandissement, de plus en plus, des deux pierres à côté de l’orange et du cafard qui rampe dessus, jusqu’à ce que nous puissions voir les atomes distincts.

Lorsque nous atteindrons le niveau des antennes du cafard, nous devrons utiliser les unités de micromètres, représentées par μm. En fait, 1 μm équivaut à 1×10 m;et donc un micromètreest un millionième d’un mètre. Au niveau des atomes et des molécules, nous devons utiliser des unités de nanomètres, représentées par nm. Un nanomètre est un milliardième d’un mètre et est donc équivalent à 1×10 m. C’est en effet très petit.

Les atomes composant le pollen sur l’antenne d’un cafard peuvent être assez complexes, et il est préférable de se concentrer sur des atomes plus simples tels que l’hydrogène et l’hélium pour comprendre leurs propriétés de base et leurs parties constitutives. L’image suivante décrit la structure des atomes d’hydrogène et d’hélium. Les deux atomes contiennent un noyau chargé positivement. Le noyau est constitué d’une combinaison de neutrons et de protons. Les atomes contiennent également des électrons qui se trouvent à l’extérieur du noyau chargé positivement.

Définition : Noyau atomique

Le noyau atomique se trouve au centre de l’atome et contient des protons et des neutrons.

Exemple 1: Identifier la position des électrons dans un atome

Où les électrons se trouvent-ils dans un atome?

  1. dans le noyau
  2. attachés aux protons
  3. dans l’espace en dehors du noyau
  4. dans les espaces entre les protons et les neutrons
  5. attachés aux neutrons

Réponse

Les atomes des éléments chimiques contiennent différents types de particules subatomiques. Le noyau contient une combinaison de protons chargés positivement et de neutrons non chargés. Les atomes contiennent également des électrons chargés négativement qui se trouvent dans l’espace à l’extérieur du noyau atomique, qui est chargé positivement. On peut utiliser ces assertions pour déterminer que la réponse C est la bonne réponse à cette question.

Chaque électron possède une charge électrostatique négative qui équilibre exactement la charge électrostatique positive d’un proton. Cette affirmation peut être reformulée pour dire que les protons ont une charge électrostatique relative +1 et les électrons une charge électrostatique relative 1. Les neutrons sont des particules neutres, sans charge nette, et ils ont toujours une valeur de charge électrostatique égale à 0. Les atomes d’un élément ont toujours le même nombre de protons chargés positivement et d’électrons chargés négativement. Comme tout atome contient le même nombre de protons chargés positivement et d’électrons chargés négativement, il est électriquement neutre.

Exemple 2: Identifier les valeurs des charges relatives des particules subatomiques

Quelles sont les charges relatives d’un proton, d’un neutron et d’un électron?

  1. +1;1;0
  2. 1;0,+1
  3. +1;0;1
  4. 0;1,+1
  5. 0,+1;1

Réponse

Les électrons ont une charge électrostatique exactement équivalente et de signe opposé à la charge électrostatique des protons. Les neutrons ont une charge électrostatique neutre. Les protons ont une charge relative de +1, et les neutrons et les électrons ont une charge relative de 0 et 1. On peut utiliser ces affirmations pour déterminer que la proposition C est la bonne réponse à cette question.

Les protons et les neutrons ont essentiellement la même masse, et sont tous les deux beaucoup plus lourds qu’un électron. Les protons et les neutrons ont une masse relative de 1, et les électrons une masse relative de 11840. Le tableau suivant résume les données relatives aux particules subatomiques constituant les atomes.

Type de particule subatomiqueCharge relativeMasse relative
proton11
neutron01
électron111840

Définition : Particules subatomiques

Une particule subatomique est une particule de tout type plus petite qu’un atome ou contenue dans un atome.

Exemple 3: Identifier la valeur de la masse relative d’un électron

Quelle est la masse d’un électron exprimée comme fraction de la masse d’un proton ou d’un neutron?

  1. 19
  2. 1195
  3. 17290
  4. 1408
  5. 11840

Réponse

Les protons et les neutrons ont la même masse, tandis que les électrons sont significativement plus légers. Ils sont environ mille huit cent quarante fois plus légers qu’un seul proton ou neutron. On peut utiliser ces affirmations pour déterminer que l’option E est la bonne réponse à cette question.

La masse est distribuée de manière très inégale dans les atomes. Le noyau atomique n’est qu’une petite partie de l’atome, mais il contient tous les protons et neutrons subatomiques lourds. Le reste de l’atome est constitué d’électrons incroyablement légers.

Exemple 4: Comprendre la distribution de la masse au sein d’un atome

Où se situe la plus majorité de la masse d’un atome?

  1. dans le noyau
  2. dans les couches d’électrons
  3. dans l’espace entre le noyau et les couches électroniques

Réponse

Les protons et les neutrons ont essentiellement la même masse, et cette masse est remarquablement plus lourde que celle d’un électron. Le noyau d’un seul atome tend à contenir la majorité de la masse atomique car il contient les protons et les neutrons. On peut utiliser ces affirmations pour déterminer que l’option A est la bonne réponse à cette question.

De nombreux schémas illustrant la structure atomique donnent des informations inexactes sur la taille du noyau. On imagine que le noyau est juste un peu plus petit qu’un atome. Les illustrations sont conçues pour illustrer la composition d’un atome. Elles sont utilisées pour montrer ce que l’atome et son noyau contiennent plutôt que pour représenter avec exactitude la taille du noyau et de ses particules subatomiques. La figure suivante est une représentation assez précise de l’atome. Elle utilise une combinaison de flèches et de nombres pour comparer la largeur du noyau avec celle de l’atome tout entier et de ses nucléons individuels. Elle compare également la largeur d’un électron avec celle de l’atome.

La figure montre que le noyau est à peu près dix mille fois plus petit que l’atome. Elle indique également que les protons sont à peu près dix fois plus petits que le noyau ou cent mille fois plus petits que l’atome entier. On montre ici que les électrons sont environ mille fois plus petits qu’un proton, mais ce n’est qu’une valeur estimée. Il est possible que les électrons soient encore plus petits qu’un milliardième de milliardième de mètre.

Considérons un atome de carbone et son noyau. La comparaison nous aidera à apprécier pleinement la taille incroyablement petite du noyau atomique et de ses nucléons. Cela confirmera également l’affirmation selon laquelle le noyau est plus petit – de plusieurs ordres de grandeur – que le noyau. L’atome de carbone a un rayon de 70 pm, et son noyau un rayon de 3 fm. Ce sont des échelles incroyablement petites. Un picomètre (pm) équivaut à 1×10 m. Autrement dit, un picomètre est mille milliards de fois plus petit qu’un mètre. Un femtomètre (fm) est encore plus petit. Un femtomètre équivaut à 1×10 m;ceci est un million de milliards de fois plus petit qu’un mètre. Pour donner du sens à tout cela, on peut dire qu’un femtomètre est égal à 0,000000000000001 m. Ces valeurs peuvent être comparées pour révéler que le rayon du noyau de l’atome de carbone est des dizaines de milliers de fois plus petit que celui de l’atome de carbone entier. Cette comparaison montre que les noyaux sont en fait des dizaines de milliers de fois plus petits que les atomes entiers. Le noyau atomique est incroyablement petit, et il est composé de nucléons subatomiques encore plus petits. Le noyau de l’atome de carbone a un rayon de 3 fm, et les protons ont un rayon qui est beaucoup plus petit qu’un seul femtomètre (1 fm).

Exemple 5: Identifier l’expression qui décrit la taille du noyau

Quelle est la taille approximative du rayon d’un noyau atomique par rapport au rayon de l’atome, 𝑅?

  1. 𝑅
  2. 𝑅100
  3. 𝑅100000
  4. 𝑅1000
  5. 𝑅10000

Réponse

Le noyau représente une partie incroyablement petite de l’atome. On dit généralement que le rayon du noyau est environ dix mille fois plus petit que le rayon d’un atome. On peut reformuler cette phrase pour dire que le noyau atomique a une taille d’à peu près 𝑅10000𝑅 est le rayon de l’atome. Ce raisonnement indique que la proposition E est la bonne réponse à cette question.

Points clés

  • Les atomes mesurent à peu près 0,0000000001 m ou 1×10m de large.
  • Les atomes contiennent un noyau chargé positivement constitué de protons et de neutrons.
  • Les atomes contiennent également des électrons situés dans l’espace à l’extérieur du noyau atomique qui est chargé positivement.
  • Les protons ont une charge électrique relative de +1, et les neutrons et les électrons des valeurs de charge électrique relative de 0 et 1.
  • Les protons et les neutrons ont tous deux une masse relative de 1, et les électrons une masse relative d’environ 11840.
  • Les atomes contiennent le même nombre de protons que d’électrons.
  • Le noyau atomique est à peu près dix mille fois plus petit que l’atome.

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