Élément incontournable des cours de physique-chimie, l’atome est étudié par les élèves dès la classe de troisième. Cependant, calculer la masse d’un atome est parfois compliqué. Voici comment faire.
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Composé d’électrons gravitant autour d’un noyau fait de nucléons (un mélange de neutrons et de protons), l’atome est à la base de toutes les molécules. On le retrouve dans tout ce qui compose notre corps, mais aussi notre environnement. Il est présent dans l’air, dans l’eau, mais aussi dans tous les matériaux. Si la composition est la même pour tous les atomes, le nombre d’électrons et de nucléons varie selon chaque atome. Cela leur donne notamment une masse différente. Cette masse fait souvent l’objet de calculs pour les élèves de troisième et de seconde en classe de chimie. L’exercice peut cependant devenir un casse-tête, car il est difficile de savoir quoi prendre en compte dans le calcul. Cependant, c’est très simple. Mais avant de se lancer, il est important de bien lire l’intitulé pour savoir exactement ce qu’il faut calculer.
Masse approchée et masse d’un atome : quelles différences ?
Dans les intitulés, les professeurs peuvent demander de calculer deux types de masse : la masse approchée et la masse de l’atome. La première désigne uniquement la masse du noyau. Celle des électrons ne doit pas être prise en compte. Tandis que pour la masse, noyau et électrons comptent dans le calcul final. Il faut donc être vigilant et bien définir ce qui doit être calculé pour éviter de se tromper. Une fois l’énoncé déchiffré, il faut déterminer combien de neutrons, de protons et d’électrons composent l’atome. Chacun de ces éléments possède une valeur qui est souvent rappelée dans le cadre d’exercices. Dans le cas du calcul d’une masse approchée, comme neutrons et protons ont des masses très proches, on peut définir la masse moyenne des nucléons et donc de l’atome.
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Effectuer le calcul de la masse d’un atome
Pour calculer la masse approchée d’un atome, il faut appliquer la formule suivante : m atome = A x m nucléons. On obtient la masse de l’atome (m) en multipliant le nombre de nucléons (A) par la masse (m) d’un nucléon. Il faut donc d’abord déterminer combien de nucléons composent notre atome. Ce chiffre est indiqué en haut à gauche dans la représentation symbolique du noyau de chaque atome. Une fois le chiffre repéré, il suffit de le multiplier avec la masse d’un nucléon (1,67 x 10 puissance-27 kg par exemple) via une application numérique sur la calculatrice. La masse d’un nucléon n’est pas à connaître par cœur donc il suffit de retenir la formule et de bien lire l’énoncé pour calculer la masse d’un atome.
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structure de l’atome | quelques exemples | radioactivité | quelques définitions
Structure de l’atome :
L’atome, constituant de la matière, est constitué d’un noyau et d’électrons gravitant autour de ce noyau.
Les électrons sont des particules chargées négativement (- 1,602 . 10-19 Coulombs), qui ont une masse de 0,910953 . 10-30 kg.
Le noyau, lui, est constitué de deux types de particules :
– les neutrons, de charge nulle et de masse 1,675 . 10-27 kg
– les protons, de charge positive (1,602 . 10-19 C) et de masse 1,6723 . 10-27 kg
Les particules (neutrons et protons) constituant le noyau atomique sont appelées nucléons.
On appelle numéro atomique (Z), le nombre d’électrons d’un atome. Ce nombre est égal au nombre de protons du noyau atomique. Ainsi, un atome est globalement neutre : il comporte autant de charges négatives (électrons) que positives (protons du noyau).
Calcul de la masse d’un atome :
La masse d’un atome exprimée en kg est très faible. Aussi, l’on préfère manipuler une autre unité : l’unité de masse atomique (uma) ou Dalton (Da). La masse d’un neutron ou d’un proton est sensiblement égale à 1 Da.
La masse des électrons étant négligeable devant celle des particules du noyau (neutrons et protons), pour calculer la masse d’un atome (M), il suffira d’additionner le nombre de protons (Z) et le nombre de neutrons (n). Cette masse ainsi calculée s’exprimera en Daltons.
M = Z + n
Relation entre la masse atomique et le nombre de moles d’un atome donné :
D’autre part, 6,023 . 1023 protons ou neutrons, soit une mole de protons ou de neutrons, pèsent environ 1 gramme. La valeur de la masse d’une mole d’atomes d’un élément donné (en grammes) aura exactement la même valeur que la masse atomique (en Da) de l’élément considéré.
Rappel : la mole (mol) : c’est la quantité de substance contenant autant de particules élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 grammes de carbone 12 (12C). Ce nombre d’atomes est égal à N, la constante d’Avogadro ou nombre d’Avogadro. Le nombre d’Avogadro représente le nombre d’entités élémentaires (atomes, ions, molécules…) contenues dans une mole de matière. Ce nombre N a comme valeur : N = 6,023 . 1023
Exemples :
La masse atomique de l’atome d’hydrogène est 1, ce qui signifie que :
– un atome d’hydrogène a une masse de 1 Da
– une mole d’atomes d’hydrogène a une masse de 1 gramme.
La masse atomique de l’atome d’oxygène est 16, ce qui signifie que :
– un atome d’oxygène a une masse de 16 Da
– une mole d’atomes d’oxygène a une masse de 16 grammes.
La masse atomique de l’atome de calcium est 40, ce qui signifie que :
– un atome de calcium a une masse de 40 Da
– une mole d’atomes de calcium a une masse de 40 grammes.
Nomenclature d’un atome :
Masse Atomique
Symbole
Numéro Atomique A
X
Z A est le nombre de masse qui correspond au nombre de protons plus le nombre de neutrons.
X est le symbole chimique de l’élément considéré.
Z est le numéro atomique qui est égal au nombre d’électrons, donc de protons.
Le nombre de neutrons d’un noyau atomique est égal à A – Z.
Les isotopes :
Les isotopes sont les différents types d’atomes d’un même élément chimique. Les isotopes présentent :
– des propriétés chimiques semblables.
– le même numéro atomique Z, donc le même nombre d’électrons et donc de protons.
– un nombre de masse A différent. C’est donc le nombre de neutrons qui diffère d’un isotope à l’autre.
On nomme un isotope par son nombre de masse A : le carbone 12, le carbone 14, etc.
Exemples :
Les isotopes de l’hydrogène : l’hydrogène léger (ou hydrogène – tout court), le deutérium (ou hydrogène lourd) et le tritium ; présentent tous un proton et un électron et respectivement zéro, un ou deux neutrons.
Les isotopes du carbone comportent tous 6 électrons et 6 protons : carbone 12 (6 neutrons), carbone 13 (7 neutrons) et carbone 14 (8 neutrons).
Les isotopes de l’uranium comportent tous 92 électrons et 92 protons. L’uranium 235 comprend 143 neutrons; l’uranium 238 en comporte 146.
L’atome, constituant de la matière, est constitué d’un noyau et d’électrons gravitant autour de ce noyau.sont des particules chargées négativement (- 1,602 . 10Coulombs), qui ont une masse de 0,910953 . 10kg., lui, est constitué de deux types de particules :, de charge nulle et de masse 1,675 . 10kg, de charge positive (1,602 . 10C) et de masse 1,6723 . 10kgLes particules (neutrons et protons) constituant le noyau atomique sont appeléesOn appelle, le nombre d’électrons d’un atome. Ce nombre est égal au nombre de protons du noyau atomique. Ainsi, un atome est globalement neutre : il comporte autant de charges négatives (électrons) que positives (protons du noyau).La masse d’un atome exprimée en kg est très faible. Aussi, l’on préfère manipuler une autre unité : l’ou. La masse d’un neutron ou d’un proton est sensiblement égale à 1 Da.La masse des électrons étant négligeable devant celle des particules du noyau (neutrons et protons), pour calculer la masse d’un atome, il suffira d’additionner le nombre de protonset le nombre de neutrons. Cette masse ainsi calculée s’exprimera en Daltons.D’autre part, 6,023 . 10protons ou neutrons, soit une mole de protons ou de neutrons, pèsent environ 1 gramme. La valeur de la masse d’une mole d’atomes d’un élément donné (en grammes) aura exactement la même valeur que la masse atomique (en Da) de l’élément considéré.Le nombre de neutrons d’un noyau atomique est égal àLes isotopes sont les différents types d’atomes d’un même élément chimique. Les isotopes présentent :- des propriétés chimiques semblables.- le même numéro atomique Z, donc le même nombre d’électrons et donc de protons.- un nombre de masse A différent.On nomme un isotope par son nombre de masse A : le carbone 12, le carbone 14, etc.
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notions de base concernant la radioactivité
Courte introduction du sujet
Un élément chimique (ou élément) est un ensemble d’atomes qui ont le même nombre de protons dans leur noyau. Ce nombre est le numéro atomique de l’élément. Ce terme désigne également une substance pure constituée d’atomes ayant le même nombre de protons. Un élément chimique peut se transformer en un autre élément par une réaction nucléaire. Cette définition moderne fut introduite par Robert Boyle en 1661. En effet, une réaction chimique met en jeu les liens entre les électrons externes des atomes, alors qu’une réaction nucléaire modifie les nucléons du noyau atomique. Chaque atome a des propriétés chimiques différentes qui dépendent directement du nombre atomique. Ces éléments sont répertoriés dans un tableau périodique inventé par Mendeleïev et nommé le tableau périodique des éléments. On en connait actuellement 117 (de 1 à 118 excepté le 117) dont 94 présents à l’état naturel sur Terre.
Le terme de réaction nucléaire désigne la transformation d’un ou plusieurs noyaux atomiques. Une réaction chimique, au contraire, concerne uniquement les électrons ou les liaisons entre les atomes.
Dans une réaction nucléaire, deux noyaux atomiques entrent en collision ; les produits résultants de cette collision sont différents des particules originelles. Dans le cas de la radioactivité, la transformation est spontanée, mais dans le cas d’une réaction nucléaire, elle est produite par une particule mouvante. Si les particules se séparent après la collision sans être transformées, le processus n’est pas une réaction, mais une collision élastique.
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Petite histoire de l’atome
Qu’est-ce qu’un atome ?
Le mot atome vient du grec « atomos » qui signifie insécable. En effet, pour les scientifiques de l’Antiquité, les atomes représentaient la plus petite unité de matière.
On sait de nos jours que l’atome n’est pas une particule élémentaire et qu’il peut donc être divisé.
L’atome est formé d’un noyau (composé de protons chargés positivement, de neutrons qui sont des particules non chargées) autour duquel gravitent des électrons qui sont des particules chargées négativement.
Le nombre d’électrons ou de protons détermine les caractéristiques physiques et chimiques de chaque atome.
Historique de l’atome
Dans l’Antiquité, la théorie d’Aristote selon laquelle la matière était formée de 4 éléments la Terre, le feu l’air et l’eau prévaut depuis des siècles.
C’est Leucippe et son disciple Démocrite (entre -460 et -370 av JC) qui expliquent que la matière est composée d’éléments indivisibles : le concept de l’atome est né.
Il faut ensuite attendre le XVIIème siècle avec le chimiste anglais Robert Boyle pour que l’étude de l’atome fasse un bond en avant. En effet, le scientifique propose que la matière est faite de substances simples appelées éléments.
Au siècle suivant, Antoine-Laurent Lavoisier édicte sa célèbre loi de la conservation de la matière « rien ne se perd, rien ne se crée, mais tout se transforme »
Au début du XIXème siècle, John Dalton fonde sa théorie atomique, qui ne remporte alors que peut de succès.
C’est Sir Joseph John Thomson qui fit faire un énorme bond dans l’histoire de l’atome, en découvrant les électrons. Le physicien anglais fut nobélisé en 1906 pour ses travaux sur la conduction de l’électricité par les gaz.
Le saviez-vous ? Sir Joseph John Thomson est à l’origine d’une théorie au nom savoureux « la théorie du plum pudding ». Le plum pudding est un gâteau anglais à base de fruits secs (souvent des raisins) plus connu sous le nom de Christmas pudding.
Pour le scientifique, l’arrangement atomique était comparable à la composition du dessert : les électrons raisins étaient enfoncés dans le pain positif !
C’est Ernest Rutherford qui propose un modèle atomique très complet : il obtint d’ailleurs le pris Nobel de chimie pour ses découvertes sur la structure atomique.
Niels Bohr modifia quelque peu ce modèle et reçut lui aussi un prix Nobel (mais en physique) pour ses travaux sur la composition de l’atome.
Erwin Schrödinger appliqua ensuite les théories quantiques au modèle atomique en précisant que le nuage électronique était caractérisé par une probabilité de présence.
La structure de l’atome
L’atome a une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d’arriver à décrire celle-ci. Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d’électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l’atome est donc électriquement positif. Dans le cas d’un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n’est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l’atome qu’il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l’atome entier.
Imaginez un banc de sable vu de loin, on ne peut pas distinguer les grains qui le constitue. On peut les voir seulement en s’approchant de très près.
La matière qui nous entoure est également constituée de petits grains de matière appelés atomes, ils ne peuvent être observés ni à l’œil nu, ni avec les microscopes optiques conventionnels.
Comme il existe plus d’une centaine d’atomes différents, on attribue un symbole à chaque atome de même nature. Il commence toujours par une lettre majuscule suivie parfois d’une lettre minuscule.
Pour mieux visualiser ces atomes invisibles à notre œil, on utilise souvent un modèle qui représente les atomes courants sous la forme de boules colorées, à chaque atome correspond une couleur.
Représenter un atome sous forme symbolique
Afin de représenter le noyau et l’atome de façon symbolique, on peut utiliser le symbole chimique noté X. Le symbole chimique d’un atome correspond à une ou deux lettres issues du nom entier de l’élément représenté. Ce X peut correspondre par exemple :
- à H pour l’hydrogène ;
- à C pour le carbone ;
- à Fe pour le fer ;
- à Mg pour le magnésium ;
- etc.
Note : S’il y a deux lettres, la première est toujours en majuscule, et la seconde en minuscule.
A correspond au nombre total de nucléons, c’est-à-dire aux protons et aux neutrons additionnés. On parle aussi du nombre de masses.
Enfin, Z correspond au numéro atomique. Il correspond également au nombre de protons.
La symbolique permet de connaître le nombre de nucléons, de neutrons, de protons et d’électrons d’un atome
A partir du modèle AZX présenté ci-dessus, on peut déterminer le nombre de nucléons, de neutrons, de protons et d’électrons d’un atome donné.
Z correspond au nombre de protons, et donc également au nombre d’électrons puisqu’il doit y avoir autant de protons (charges positives) que d’électrons (charges négatives) dans un atome afin qu’il soit électriquement neutre.
Le nombre de neutrons, noté N, peut être déduit en calculant la différence entre le nombre de nucléons et le numéro atomique (= nombre de protons) : N = A – Z.
On peut ainsi retenir que :
- Le nombre de protons = numéro atomique = Z
- Le nombre d’électrons = nombre de protons donc = numéro atomique = Z
- Le nombre de nucléons = A – Z
Exemple : pour un atome de carbone classique il y a :
- A = 12 nucléons = 12 masses ;
- Z = 6 protons.
Un atome étant toujours électriquement neutre, il doit avoir autant d’électrons que de protons, on en déduit ainsi que l’atome de carbone a 6 électrons. Enfin, il y a A-Z neutrons, c’est-à-dire 6 neutrons en l’occurrence.
Note : Les atomes contiennent souvent un nombre de neutrons proche du nombre de neutrons, voire égal, afin d’avoir une structure stable, mais il faut faire attention car ça n’est pas toujours le cas.
Exemple : Le noyau de l’uranium est composé de 92 protons (et donc d’autant d’électrons) et de 138 neutrons.
Caractéristiques de l’atome
L’atome n’a pas de forme propre, ses « contours » sont finalement définis par la présence du nuage électronique. Cependant, pour des facilités d’apprentissage, on schématise souvent l’atome de manière sphérique.
Taille : les atomes ont un ordre de grandeur de 10-10m. La création de microscopes à sonde locale à permis d’étudier les atomes.
Le saviez-vous ? L’atome d’hydrogène est l’atome le plus petit en taille, il possède un diamètre de 5 10-11 m.
L’atome de radium est, quant à lui, l’atome le plus grand puisqu’il possède un rayon atomique de près de 4.3 10-10 m !
Masse : les atomes possèdent un volume et une masse très faible. On considère qu’un proton et qu’un neutron possèdent à peu près la même masse.
Charge : les électrons sont chargés négativement et possèdent une charge estimée à qe = -1,6022.10-19 C. Les protons sont quant à eux chargés positivement et possèdent un charge de 1,6022.10-19 C. Enfin les neutrons ne possèdent pas de charge (charge nulle).
Le tableau ci-après résumé les différentes caractéristiques d’un atome (masse et charge de ses constituants l’électron, le proton et le neutron) :
Charge de l’électronqe = -1,6022.10-19 C Masse de l’électronme = 9,1095.10-31 kg Charge du protonqp = 1,6022.10-19 C Masse du protonmp = 1,6726.10-27 kg. Charge du neutronqn = 0 C Masse du neutronmn = 1,6749.10-27 kg.
Note : la science qui étude les caractéristiques de l’atome se nomme l’atomistique.
Pour estimer la masse du noyau, il faut donc connaître le nombre de nucléons. C’est un calcul approximatif mais qui donne un ordre de grandeur. On peut néanmoins utiliser une méthode plus précise pour calculer la masse d’un atome : le spectromètre de masse.
Etude de la masse d’un atome à l’aide d’un spectromètre de masse
Le spectromètre de masse est un procédé d’analyse physico-chimique par mesure de la masse des éléments.
Le spectromètre de masse a été mis au point par Joseph John Thomson. Il est composé d’une source d’ionisation qui permet de vaporiser les molécules et à les ioniser.
Les ions sont ensuite séparés en fonction de leur rapport masse/charge (m/z) dans un analyseur.
Le détecteur permet ensuite de convertir les informations en signal électrique (le courant est proportionnel au nombre d’ion) enfin le signal obtenu est amplifié et traité pour qu’il soit analysable.
Masse des constituants d’un atome
Comment a-t-on calculé la masse des nucléons et de l’électron ?
Le problème qui s’est posé aux scientifiques à été le suivant : la masse d’un atome et de ses nucléons est extrêmement faible.
Ils ont dû ainsi convenir d’une unité de masse atomique. Plusieurs atomes ont servi de gamme étalon mais c’est l’atome de carbone qui a été choisi au final.
On utilise l’unité de masse atomique unifiée (u) pour déterminer la masse des nucléons et des électrons. On appelle aussi cette unité le dalton en référence au célèbre scientifique qui étudia la théorie atomique.
Sa valeur est obtenue expérimentalement en prenant le 1/12 de la masse d’un atome 12C. Ainsi un atome de 12C possède une masse de 12u et une mole d’atome possède 12g.
Note : 1 mole d’atomes contient un nombre d’atomes égal au nombre d’Avogadro Na : 6,02. 1023 mol-1
1 u vaut approximativement 1,660 538 921 × 10−27 kg1.
En d’autres termes :
La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes de carbone dans 12 grammes de carbone. Ce nombre d’atomes est le nombre d’Avogadro Na= 6,022.1023 mol-1.
Depuis les années 60, on utilise comme référence le 1/12 de la masse d’un atome de carbone. D’autres modèles ont été essayées (comme le 1/16 de l’atome d’oxygène) mais c’est celui qui perdure. Attention cette valeur étant expérimentale, elle n’apparaît pas dans le système international (SI).
Bon à savoir : Le CODATA (Comité de données pour la Science et la Technologie) recommande depuis 2006 d’utiliser cette approximation :
mu = 1.660 538 782 (83) x 10 -27 kg
Explications :
L’unité de masse atomique est donc définie par le 1/12ème de la masse de l’atome de carbone :
1u = m(atome de carbone)/12
On montre ensuite que 1u = 1/Na(nombre d’Avogadro), exprimée en g
Si on veut en kg , la relation sera la suivante : 1u = 10-3/Na = 1.6606.10-27k
Note : la masse des atomes varie approximativement entre 10-27kg et 10-25kg.
Le saviez vous ? En biologie, l’unité de masse atomique est aussi appelée dalton (du nom de John Dalton) . On l’utilise pour quantifier le poids des molécules d’intérêt biologique .Son symbole d’unité est Da mais on utilise plus fréquemment le kDa (tout simplement parce qu’en biochimie on étudie plus souvent de grosses molécules comme par exemple des protéines).
Un dalton est avec une assez bonne précision la masse d’un atome d’hydrogène, la valeur exacte étant 1,00794 uma.
Note : on peut également retrouvé une autre notion, celle de la masse relative d’un élément :
La masse atomique relative d’un élément est définie comme le rapport entre la masse moyenne d’un atome pour la composition isotopique naturelle sur le douzième de la masse d’un atome de carbone.
Etude des masses des constituants de l’atome
- La masse d’un électron est de me = 9,1 x 10 -31
kg
- La masse d’un proton est de 1,673 x 10-27 kg
- La masse d’un neutron est de 1,675 x 10-27 kg
Si l’on souhaite estimer une masse avec 3 chiffres significatifs alors on peut faire l’approximation que le proton et le neutron ont une masse égale à environ 1,67 x 10 -27 kg.
Pour comparer la masse d’un nucléon et d’un électron on peut calculer le rapport de leur masse :
(1,67 x 10-27)/(9,1 x 10-31) = 1835
Un électron est près de 2000 fois plus léger qu’un nucléon: la masse d’un atome est donc concentrée dans son noyau et pour un calcul approché de masse il n’est pas nécessaire de tenir compte de la masse des électrons.
Calcul de la masse d’un atome
En tenant compte des approximations précédentes la masse d’un atome peut être calculée en négligeant les électrons et en considérant que les neutrons ont environ la même masse que les protons.
Pour calculer la masse d’un atome il suffit donc de multiplier son nombre de nucléons (A) par la masse d’un nucléon (soit 1,67 x 10-27 kg) :
Masse d’un atome = A x 1,67 x 10-27
Exemple : Calcul de la masse de l’isotope 12 du carbone.
Cet atome est constitué de 12 nucléons.
Sa masse est donc m = 12 x 1,67 x 10 -27 = 2,004 x 10 -26
La masse d’un atome de l’isotope 12 du carbone est donc de 2,004 x 10 -26 kg mol-1
Atomes : défauts de masse et énergie de liaison
L’atome a une structure particulière, les scientifiques sont passés par différents stades avant d’arriver à décrire celle-ci. Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, il est donc électriquement positif. Ce noyau est entouré d’électrons qui gravitent autour de celui-ci, la partie la plus extérieure de l’atome est donc électriquement négatif. Dans le cas d’un atome, ces deux parties électriques se compensent et donnent un atome électriquement neutre, ce n’est pas forcément le cas pour les ions. Ces deux parties sont séparées par du vide. En effet, on dit souvent de l’atome qu’il a une structure lacunaire. De plus, la taille du noyau est très petite comparé à celle de l’atome entier.
Défaut de masse d’un noyau
La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses des particules qui le composent. Le défaut de masse est cette différence. Elle est positive.
Défaut de masse :
[ Delta m = Z times m _ { p } + left( A – Z right) times m _ { n } – m _ { text { noyau } } ]
Energie de liaison
Relation d’Einstein
Le principe d’équivalence (1905), énergie-masse sont deux grandeurs proportionnelles et que de la masse peut se convertir en énergie et inversement. Toutes particules possèdent du fait de sa masse une énergie potentielle de repos.
[ E = m times c ^ { 2 } ]
Energie de liaison
Elle est définie comme étant l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier en nucléons isolés et immobiles.
[ E _ { text { noyau } } + E _ { l } = E _ { text { proton } } + E _ { text { neutron } } ]
[ E _ { l } = E times m _ { p } times c ^ { 2 } + left( A – Z right) times m _ { n } times c ^ { 2 } – m _ { text { noyau } } times c ^ { 2 } ]
[ E _ { l } = c ^{ 2 } times left( left( Z times m _ { p } + left( A – Z right) times m _ { n } right) – m _ { text { noyau } } right) ]
[ E _ { l } = Delta m times c ^ { 2 } ]
Energie de liaison par nucléon
Un nucléon correspond à un terme générique faisant référence aux différents composants d’un noyau atomique. En effet, par nucléon on sous-entend le terme proton et neutron qui sont tous deux ce qu’on appelle des baryons. De plus, il peut être intéressant de se souvenir que le nombre de nucléons d’un atome est, de façon générale, noté A et appelé nombre de masse.
C’est l’énergie qu’il faut fournir au noyau pour le dissocier. Ces énergies de liaisons peuvent être calculées pour chaque noyau et on peut calculer pour chaque noyau son énergie de liaison par nucléon.
Atomes et transformations
Lorsque les atomes subissent des transformations (transformation en ion monoatomique ou lorsque qu’ils établissent des liaisons avec d’autres atomes) ils le font de façon à saturer leur couche externe.
La stabilité des atomes
Les atomes dont la couche externe est déjà saturée ne donneront donc pas d’ion monoatomique et n’auront pas tendance à établir de liaison avec d’autres atomes. Ils sont dits « chimiquement stables ». On dit aussi qu’ils présentent une grande inertie chimique.
Cette fois-ci, c’est l’interaction électromagnétique entre le noyau et les électrons qui est responsable des mouvements des électrons autour du noyau d’un atome. Cette force agit sur tous les éléments qui ont une charge électrique.
Cette force peut être répulsive entre deux éléments de charges identiques (positif et positif, ou négatif et négatif) ou attractive entre deux éléments de charges opposées (positif et négatif).
On dit que l’interaction électromagnétique est responsable de la cohésion des atomes, c’est-à-dire de la cohésion entre le noyau et les électrons.
Règle du duet
Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes caractérisés par Z < 4 évoluent de manière à saturer leur couche (K). Ils acquièrent un « duet » d’électrons c’est-à-dire une paire d’électrons.
Règle de l’octet
Au cours de leurs transformations chimiques, les atomes caractérisés par Z > 4 évoluent de manière à saturer leur couche externe (L) ou (M) etc… Ils acquièrent un « octet » d’électrons c’est-à-dire 8 électrons ou 4 paires d’électrons.
Il existe des exceptions à la règle de l’octet. Ces exceptions ne sont pas étudiées dans le cadre du cours de seconde.
Prévision de la charge des ions monoatomiques.
L’application de ces règles permettent de prévoir la charge et donc la formule de la plupart des ions monoatomiques.
Par exemple : Considérons l’atome de chlore de numéro atomique Z=17 dont la formule électronique est : (K)2(L)8(M)7. Il possède 7 électrons sur sa couche externe (M). En se transformant en ion chlorure il sature cette couche externe avec un octet (8) électrons. Cet atome, initialement neutre du point de vue électrique, va donc gagner un électron c’est-à-dire une charge négative lors de sa transformation en ion chlorure. La formule de cet ion est alors : Cl-.
Atome et électronégativité
Dans le domaine de la chimie, on décrit l’électronégativité comme étant une grandeur physique caractérisant la capacité d’un atome à attirer un ou plusieurs électrons lors de la formation d’une liaison chimique avec une autre espèce.
Selon leur configuration électronique, certains atomes capteront les électrons facilement alors que d’autres n’y arriveront pas. Par exemple, l’atome de fluor a pour configuration k2l7, il gagnera facilement un électron pour saturer la couche l.
La facilité des atomes à capter un électron s’appelle l’électronégativité. Dans le tableau périodique, les atomes les plus électronégatifs se trouvent en haut à droite.
Les isotopes des atomes
Chaque type d’atome est caractérisé par son nombre de protons qui lui est propre. Par exemple, tous les atomes de carbone contiennent 6 protons dans leur noyau. Ainsi, un atome contenant 6 protons est nécessairement un atome de carbone.
Au contraire, un atome contenant un nombre différent de protons ne peut pas être un atome de carbone.
En revanche, il peut y avoir des atomes avec le même nombre de protons mais avec des nombres de neutrons différents : on dit que ce sont des isotopes.
Tous les isotopes du carbone ont donc 6 protons, mais ils peuvent avoir 6 neutrons, ou 7, ou 8 par exemple. Ainsi, pour un élément chimique donné, plusieurs isotopes peuvent être associés.
Des isotopes ont les mêmes propriétés chimiques mais leur stabilité peut être différente.
L’utilisation des atomes dans le cadre du nucléaire
Pour aller plus loin : l’énergie de l’atome et le nucléaire
Son histoire
On appelle radioactivité une réaction nucléaire spontanée au cours de laquelle un noyau atomique instable se désintègre en dégageant de l’énergie, sous forme d’un rayonnement électromagnétique, pour se transmuter en un noyau plus stable.
Le phénomène de la radioactivité fut découvert en 1896 par Henry Becquerel sur l’uranium. Il avait entrepris de découvrir si un sel d’uranium phosphorescent émettait, en plus de la lumière, des rayons X (découvert par le physicien allemand, Wilhelm Röntgen en 1895). Il exposa ce sel au soleil avant de le placer à l’obscurité sur une plaque photographique. En étudiant ces plaques, il s’aperçut qu’elles étaient impressionnées même lorsque le sel d’uranium n’avait pas été exposé à la lumière du soleil. Il met également en évidence la présence de particules chargées, le matériau émet son propre rayonnement. Ce ne sont donc pas des rayons X, il nomme ces rayons, « rayons uraniques ». Fin 1897, Marie Skodowska-Curie qui était à l’époque étudiante choisit comme sujet de thèse l’étude de ce nouveau type de rayonnement. Elle entreprend de rechercher d’autres éléments pouvant produire un rayonnement semblable à celui du sel d’uranium phosphorescent. Elle découvre que des échantillons de minéraux d’uranium (la pechblende par exemple) sont plus actifs que l’uranium lui-même. En 1898, Marie Curie, aidée de son mari Pierre Curie, sépare chimiquement les éléments les plus actifs et isole ainsi le polonium puis le radium. Elle donne, en rapport avec ce dernier élément, le nom de « radioactivité » au phénomène. En 1911, Marie Curie recevra le prix Nobel de chimie pour cette découverte ; c’est la seule femme à avoir reçue deux prix Nobel. En 1903, Pierre et Marie Curie ainsi qu’Henry Becquerel reçoivent le prix Nobel de physique pour la découverte de la radioactivité. Cette même année, des études menées par Henry Becquerel, Marie Curie, Paul Villard et Ernest Rutherford montrèrent l’existence de différents types de rayonnements, les rayonnements alpha (positifs), bêta (négatifs) et gamma (neutres). Ernest Rutherford découvrit également que la radioactivité s’accompagnait de la désintégration des éléments chimiques (transformation spontanée d’un élément en un autre), il énonça les lois fondamentales de ces transformations. E. Rutherford reçu en 1908 le prix Nobel de chimie.
Marie Skodowska-Curie est une physicienne et chimiste d’origine polonaise. Elle est très connue pour sa découverte de la radioactivité naturelle et des éléments 84 et 88 : le polonium et le radium. Elle reçut de multiples prix et distinctions pour ses recherches. Elle reçut en 1903 le prix Nobel de physique et en 1911 le prix Nobel de chimie. C’était la première femme à recevoir ce genre de distinction et encore à ce jour elle est la seule à en avoir reçu deux.
Sa définition
La radioactivité correspond à un phénomène physique au cours duquel des noyaux atomiques considérés comme instables, on les appelle alors radionucléides ou encore radioisotopes, se transforment, et ce de façon spontanée, en d’autres atomes tout en émettant par la même occasion des particules de matières comme des électrons, des noyaux d’hélium ou encore des neutrons et en émettant de l’énergie sous la forme de photons et d’énergie cinétique. On appelle cela une désintégration. On appelle alors l’émission de particules, qu’elles soient matérielles ou immatérielles, rayonnement et on est capable de parler de rayonnements ionisants car l’énergie des particules est telle qu’elle est capable d’entraîner l’ionisation de la matière traversée. Il existe alors différents types de rayonnement que l’on listera un peu plus tard. La radioactivité présente des effets sur les organismes subissant des rayonnements ionisants, on parle alors d’irradiation.
Cependant, ces effets dépendent du niveau, mais aussi de la durée de l’exposition, qui peut être aiguë ou encore chronique, de la nature du rayonnement mais également de la localisation de la radioactivité. En effet, les effets ne seront pas les mêmes si l’exposition est interne que si l’exposition était externe ou encore en surface. Les rayonnements provoqués par les substances radioactives sont très largement utilisés dans les différentes industries, notamment en ce qui concerne le contrôle de pièce manufacturées, les soudures, l’usure ou même à faible dose en médecine afin de déterminer un diagnostic ou dans une visée thérapeutique afin de soigner les cancers. Dans tous les cas, il est évident qu’il est nécessaire de suivre des mesures de prévention, de protection mais également de contrôle qui resteront adaptés au niveau de radioactivité observé.
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