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Fiche explicative de la leçon: Numéros atomiques et nombres de masse Chimie

Dans cette fiche explicative, nous allons apprendre à définir et calculer les numéros atomiques et nombres de masse de différents atomes.

Les atomes sont composés de protons, de neutrons et d’électrons. Les protons et les neutrons, collectivement appelés les nucléons, se trouvent dans le noyau de l’atome, tandis que les électrons se trouvent dans le nuage d’électrons autour du noyau.

Définition : Nucléons

C’est un terme qui désigne collectivement les protons et les neutrons.

La figure ci-dessous représente un atome de bore qui possède cinq protons, six neutrons et cinq électrons.

Bien qu’un diagramme de l’atome puisse facilement montrer le nombre de chaque particule subatomique et son emplacement général, il existe d’autres manières de représenter cette information. La notation des nucléides (E) en est une. La forme générale de la notation des nucléides est illustrée ci-dessous.

Dans la notation des nucléides, E représente le symbole chimique de l’élément tel qu’il apparaît dans le tableau périodique. Par exemple, Ca est le symbole chimique du calcium et Ag est le symbole chimique de l’argent.

Le 𝑍 dans la notation des nucléides représente le numéro atomique. Le numéro atomique peut être utilisé pour distinguer un élément d’un autre, car chaque élément a son propre numéro atomique. Cette valeur est souvent écrite au-dessus du symbole de l’élément dans le tableau périodique.

Le numéro atomique indique également le nombre de protons dans le noyau de tous les atomes, ions et isotopes de l’élément. Par exemple, tous les atomes de magnésium ont 12 protons dans leur noyau, tous les ions de cuivre ont 29 protons dans leur noyau et tous les isotopes du brome ont 35 protons dans leur noyau.

Le 𝐴 dans la notation des nucléides représente le nombre de masse:le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, d’un ion ou d’un isotope.

Équation : Calcul du nombre de masse d’un atome

La formule suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse d’un atome:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons(𝐴)=+.

Le nombre de masse n’est pas unique à l’élément. Cela signifie que les atomes, les isotopes et les ions d’un certain élément peuvent avoir des nombres de masse différents. Il est également important de reconnaître que la masse indiquée dans le tableau périodique est la masse atomique relative.

La masse atomique relative est une moyenne pondérée des masses de chaque isotope de l’élément. Bien que la masse atomique relative et le nombre de masse puissent avoir des valeurs proches, ces expressions ne sont pas interchangeables.

Exemple 1: Calculer le nombre de neutrons à partir du nombre de masse et du numéro atomique

Un atome de calcium a un nombre de masse de 42 et un numéro atomique de 20. Combien y a-t-il de neutrons dans son noyau?

Réponse

Le numéro atomique représente le nombre de protons dans le noyau de tous les atomes, isotopes et ions de l’élément. Par conséquent, un atome de calcium, ayant un numéro atomique de 20, possède 20 protons dans son noyau.

Le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, d’un isotope ou d’un ion. Le terme nucléons désigne collectivement les protons et les neutrons. L’équation suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons=+.

Nous avons déjà établi qu’un atome de calcium contient 20 protons. Nous pouvons remplacer les variables dans l’équation par le nombre de masse et le nombre de protons connus et calculer ainsi le nombre de neutrons:42=20+22=.nombredeneutronsnombredeneutrons

Un atome de calcium a donc 22 neutrons dans son noyau.

En utilisant notre compréhension du numéro atomique et du nombre de masse, nous pouvons représenter un atome de bore qui contient cinq protons, six neutrons et cinq électrons avec la notation de nucléides suivante.

Exemple 2: Déterminer le nombre de protons, le nombre de neutrons et le nombre de masse à partir de la notation des nucléides

L’isotope oxygène 18 a la notation de nucléide 188O.

  1. Combien y a-t-il de protons dans les atomes d’oxygène 18?
  2. Combien y a-t-il de neutrons dans les atomes d’oxygène 18?
  3. Quel est le nombre de masse de l’oxygène 18?

Réponse

Partie 1

Dans la notation des nucléides, le nombre en bas à gauche est le numéro atomique. Le numéro atomique représente le nombre de protons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion de l’élément. Par conséquent, tous les atomes d’oxygène 18 ont huit protons.

Partie 2

Dans la notation des nucléides, le nombre en haut à gauche est le nombre de masse. Le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion. Le terme nucléons désigne collectivement les protons et les neutrons. L’équation suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons=+.

Nous avons déjà établi qu’un atome d’oxygène 18 contient huit protons. Nous pouvons substituer le nombre de protons et le nombre de masse dans l’équation du nombre de masse et résoudre cette dernière pour trouver le nombre de neutrons:18=8+10=.nombredeneutronsnombredeneutrons

Tous les atomes d’oxygène 18 contiennent donc 10 neutrons.

Partie 3

Dans la notation des nucléides, le nombre en haut à gauche est le nombre de masse. Le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion. Le nombre de masse de l’oxygène 18 est 18.

La notation des nucléides est souvent simplifiée en omettant le numéro atomique, car cette valeur peut être facilement déterminée à l’aide du tableau périodique. Ainsi, la notation simplifiée du nucléide d’un atome de bore contenant cinq protons, six neutrons et cinq électrons serait 11B.

On peut également se référer à cet atome de bore en écrivant le nom chimique suivi du nombre de masse. Par exemple, on pourrait appeler cet atome de bore par le nom de bore 11.

Exemple 3: Calculer le numéro atomique à partir d’une expression algébrique en fonction du nombre de masse et en déduire le nombre de neutrons

Le numéro atomique de l’hélium 4 est la moitié de son nombre de masse. Combien y a-t-il de neutrons dans un atome d’hélium 4?

Réponse

Dans la notation hélium 4, le nombre quatre représente le nombre de masse de cet atome d’hélium. Si le numéro atomique de l’hélium 4 est la moitié de son nombre de masse, alors le numéro atomique de l’hélium est deux.

Le numéro atomique représente le nombre de protons dans le noyau de tous les atomes, isotopes et ions de l’élément. Par conséquent, un atome d’hélium, qui a un numéro atomique de deux, a deux protons dans son noyau.

Pour déterminer le nombre de neutrons, nous devons reconnaître que le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion. Le terme nucléons désigne collectivement les protons et les neutrons. L’équation suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons=+.

Nous pouvons substituer le nombre de protons et le nombre de masse dans l’équation du nombre de masse et résoudre cette dernière pour obtenir le nombre de neutrons:4=2+2=.nombredeneutronsnombredeneutrons

Un atome d’hélium 4 possède donc deux neutrons dans son noyau.

La notation des nucléides fournit des informations concernant le nombre de protons et de neutrons dans un noyau d’un atome, isotope ou ion. La notation des nucléides peut aussi nous permettre de déterminer le nombre d’électrons dans un atome. Comme les atomes sont neutres, le nombre de protons, de charge positive, doit être égal au nombre d’électrons, de charge négative.

Exemple 4: Déterminer le nombre d’électrons, de protons et de neutrons à partir du numéro atomique et du nombre de masse

Un atome de carbone a un numéro atomique de 6 et un nombre de masse de 12.

  1. Combien y a-t-il de protons dans un atome de carbone?
  2. Combien y a-t-il de neutrons dans un atome de carbone?
  3. Combien y a-t-il d’électrons dans un atome de carbone?

Réponse

Partie 1

Le numéro atomique, fréquemment indiqué dans le tableau périodique au-dessus du symbole chimique de chaque élément, correspond au nombre de protons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion de l’élément. Par conséquent, un atome de carbone, qui a un numéro atomique de six, a six protons.

Partie 2

Le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion. Le terme nucléons désigne collectivement les protons et les neutrons. L’équation suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons=+.

Nous avons déjà établi qu’un atome de carbone contient six protons. Nous pouvons substituer le nombre de protons et le nombre de masse dans l’équation du nombre de masse et résoudre cette dernière pour obtenir le nombre de neutrons:12=6+6=.nombredeneutronsnombredeneutrons

Cet atome de carbone a donc six neutrons.

Partie 3

Un atome, quel que soit l’élément, est neutre. Pour être neutre, le nombre de protons, de charge positive, doit être égal au nombre d’électrons, de charge négative. Un atome de carbone contient six protons. Par conséquent, il doit avoir six électrons pour être neutre.

Dans un ion, le nombre de protons et le nombre d’électrons ne sont pas égaux. Cela donne à l’ion une charge nette totale. La charge d’un ion peut être calculée en soustrayant le nombre d’électrons du nombre de protons.

Équation : Calcul de la charge d’un ion

La formule suivante peut être utilisée pour calculer la charge d’un ion:chargenombredeprotonsnombredélectrons=.

Lorsqu’on écrit une charge, on écrit d’abord la valeur numérique puis le signe. Par exemple, une double charge positive doit être écrite 2 +.

On peut inclure la charge d’un ion en écrivant la charge en exposant après le symbole de l’élément.

Par exemple, un ion sodium contient 12 neutrons et 10 électrons. En regardant le tableau périodique, nous voyons que l’élément sodium a un numéro atomique de 11. Cela signifie que cet ion sodium contiendra 11 protons. La notation de cet ion sodium serait donc comme suit.

Exemple 5: Déterminer le nombre de protons, de neutrons et d’électrons dans un ion à partir de la notation des nucléides

Un ion cuivre a la notation 65292+Cu.

  1. Combien y a-t-il de protons dans cet ion cuivre?
  2. Combien y a-t-il de neutrons dans cet ion cuivre?
  3. Combien y a-t-il d’électrons dans cet ion cuivre?

Réponse

Partie 1

Dans la notation des nucléides, le nombre en bas à gauche est le numéro atomique. Le numéro atomique représente le nombre de protons dans le noyau d’un atome, d’un isotope ou d’un ion de l’élément. Par conséquent, ayant le numéro atomique 29, cet ion de cuivre possède 29 protons.

Partie 2

Dans la notation des nucléides, le nombre en haut à gauche est le nombre de masse. Le nombre de masse est le nombre total de nucléons dans le noyau d’un atome, isotope ou ion. Le terme nucléons désigne collectivement les protons et les neutrons. L’équation suivante peut être utilisée pour calculer le nombre de masse:nombredemassenombredeprotonsnombredeneutrons=+.

Nous avons déjà établi que cet ion cuivre possède 29 protons. Nous pouvons substituer le nombre de protons et le nombre de masse dans l’équation du nombre de masse et résoudre cette dernière pour obtenir le nombre de neutrons:65=29+36=.nombredeneutronsnombredeneutrons

Cet ion cuivre possède donc 36 neutrons.

Partie 3

Le nombre inscrit dans le coin supérieur droit représente la charge de l’ion. La charge d’un ion peut être calculée à l’aide de l’équation suivante:chargenombredeprotonsnombredélectrons=.

On peut substituer la charge et le nombre de protons dans l’équation et trouver le nombre d’électrons:2+=2927=.nombredélectronsnombredélectrons

Cet ion cuivre possède 27 électrons.

Points clés

  • La notation des nucléides, E, peut être utilisée pour représenter le numéro atomique et le numéro de masse d’un atome, isotope ou ion.
  • Le symbole 𝐴 représente le nombre de masse:le nombre total de nucléons.
  • Le symbole 𝑍 représente le numéro atomique:le nombre de protons dans le noyau.
  • Dans un atome, le numéro atomique indique également le nombre d’électrons dans le nuage d’électrons.
  • La charge d’un ion peut être calculée en soustrayant le nombre d’électrons du nombre de protons.

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