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⚗️ Physique-Chimie3èmeCours
De l'Univers aux atomes
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Cours
De l'Univers aux atomes
1. Les ordres de grandeur : de l'Univers à l'atome
Qu'est-ce qu'un ordre de grandeur ?
L'ordre de grandeur d'une mesure est la puissance de 10 la plus proche de sa valeur. Cela permet de comparer facilement des tailles extrêmement différentes, de l'infiniment grand à l'infiniment petit.
Exemple : la taille d'un cheveu est d'environ 0,000 07 m, soit 7 × 10⁻⁵ m. Son ordre de grandeur est 10⁻⁴ m.
Du plus grand au plus petit
| Objet | Taille approximative | Ordre de grandeur |
|---|---|---|
| Univers observable | 880 000 000 000 000 000 000 000 000 m | 10²⁶ m |
| Système solaire | 10 000 000 000 000 m | 10¹³ m |
| Terre (diamètre) | 12 700 000 m | 10⁷ m |
| Être humain | 1,7 m | 10⁰ m |
| Fourmi | 0,002 m | 10⁻³ m |
| Cellule humaine | 0,000 01 m | 10⁻⁵ m |
| Molécule d'eau | 0,000 000 000 3 m | 10⁻¹⁰ m |
| Atome | 0,000 000 000 1 m | 10⁻¹⁰ m |
| Noyau d'un atome | 0,000 000 000 000 001 m | 10⁻¹⁵ m |
L'atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau ! Si le noyau était une bille de 1 cm au centre d'un stade de football, les électrons se déplaceraient aux gradins. L'atome est donc constitué essentiellement de vide.
2. La constitution de l'atome
Un modèle simple
L'atome est le constituant de base de toute matière. Il est incroyablement petit : son diamètre est de l'ordre de 10⁻¹⁰ m (soit 0,1 nanomètre).
Un atome est constitué de deux parties :
- Un noyau central, minuscule (≈ 10⁻¹⁵ m), qui contient :
- des protons (charge électrique positive +)
- des neutrons (charge électrique nulle, neutres)
- Des électrons qui se déplacent autour du noyau dans un espace appelé nuage électronique (charge électrique négative −)
Tableau des particules de l'atome
| Particule | Localisation | Charge | Masse |
|---|---|---|---|
| Proton | Noyau | Positive (+) | ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Neutron | Noyau | Nulle (0) | ≈ 1,67 × 10⁻²⁷ kg |
| Électron | Nuage électronique | Négative (−) | ≈ 9,1 × 10⁻³¹ kg |
Point clé : la masse d'un électron est environ 2 000 fois plus petite que celle d'un proton ou d'un neutron. La masse de l'atome est donc concentrée quasi entièrement dans son noyau.
L'atome est électriquement neutre
Un atome possède autant de protons que d'électrons. Les charges positives (+) et négatives (−) se compensent exactement : l'atome est globalement électriquement neutre.
Exemple : l'atome de carbone possède 6 protons et 6 électrons → charge totale = 0.
3. Numéro atomique Z et nombre de masse A
Deux nombres pour identifier un atome
- Le numéro atomique Z : c'est le nombre de protons dans le noyau. Il définit l'élément chimique. Chaque élément a son propre Z.
- Le nombre de masse A : c'est le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau.
où N est le nombre de neutrons. On en déduit : N = A − Z.
Exemple : l'atome de fer
L'atome de fer a Z = 26 et A = 56.
- Nombre de protons : Z = 26
- Nombre de neutrons : N = A − Z = 56 − 26 = 30
- Nombre d'électrons (atome neutre) : 26 (= Z)
| Grandeur | Symbole | Signification | Comment la trouver |
|---|---|---|---|
| Numéro atomique | Z | Nombre de protons | Donné dans le tableau périodique |
| Nombre de masse | A | Protons + Neutrons | A = Z + N |
| Nombre de neutrons | N | Neutrons seuls | N = A − Z |
| Nombre d'électrons | — | Égal à Z pour un atome neutre | = Z |
4. Les éléments chimiques et leur notation symbolique
Qu'est-ce qu'un élément chimique ?
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z (nombre de protons). Tous les atomes ayant le même Z appartiennent au même élément, peu importe leur nombre de neutrons.
Exemple : tous les atomes qui ont 26 protons sont des atomes de fer, qu'ils aient 28, 30 ou 32 neutrons.
La notation symbolique
On représente un élément chimique avec son symbole accompagné de A et Z :
Règle d'écriture : le symbole commence par une majuscule, éventuellement suivie d'une minuscule. On écrit Fe (pas FE ni fe).
Éléments courants à connaître
| Élément | Symbole | Z | A | Protons | Neutrons | Électrons |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hydrogène | ¹₁H | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
| Carbone | ¹²₆C | 6 | 12 | 6 | 6 | 6 |
| Azote | ¹⁴₇N | 7 | 14 | 7 | 7 | 7 |
| Oxygène | ¹⁶₈O | 8 | 16 | 8 | 8 | 8 |
| Sodium | ²³₁₁Na | 11 | 23 | 11 | 12 | 11 |
| Chlore | ³⁵₁₇Cl | 17 | 35 | 17 | 18 | 17 |
| Fer | ⁵⁶₂₆Fe | 26 | 56 | 26 | 30 | 26 |
| Cuivre | ⁶⁴₂₉Cu | 29 | 64 | 29 | 35 | 29 |
| Zinc | ⁶⁵₃₀Zn | 30 | 65 | 30 | 35 | 30 |
Au quotidien : le fer (Fe) compose les structures métalliques et le sang (hémoglobine) ; l'oxygène (O) est dans l'air ; le carbone (C) est dans notre corps, le bois, le plastique ; le sodium (Na) et le chlore (Cl) forment le sel de cuisine NaCl.
5. Les ions : quand un atome gagne ou perd des électrons
Qu'est-ce qu'un ion ?
Un ion est un atome (ou un groupe d'atomes) qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. Contrairement à l'atome qui est neutre, un ion est chargé électriquement.
- Un atome qui perd des électrons a plus de protons que d'électrons → il est chargé positivement : c'est un cation (ion positif).
- Un atome qui gagne des électrons a plus d'électrons que de protons → il est chargé négativement : c'est un anion (ion négatif).
Point important : quand un atome devient un ion, le nombre de protons ne change pas. Seul le nombre d'électrons change. L'ion appartient donc au même élément chimique que l'atome d'origine.
Formation d'un ion : exemple du sodium
L'atome de sodium (Na) possède 11 protons et 11 électrons → neutre. En perdant 1 électron, il devient l'ion Na⁺ : 11 protons mais seulement 10 électrons → charge positive (+1).
Formation d'un ion : exemple du chlore
L'atome de chlore (Cl) possède 17 protons et 17 électrons → neutre. En gagnant 1 électron, il devient l'ion Cl⁻ : 17 protons et 18 électrons → charge négative (−1).
Ions courants à connaître
Lire la charge d'un ion
La charge de l'ion indique combien d'électrons ont été perdus ou gagnés :
| Notation | Signification |
|---|---|
| Na⁺ | 1 électron perdu (charge +1) |
| Fe²⁺ | 2 électrons perdus (charge +2) |
| Fe³⁺ | 3 électrons perdus (charge +3) |
| Cl⁻ | 1 électron gagné (charge −1) |
Calculer le nombre d'électrons d'un ion
Méthode : on part du nombre de protons (= Z) et on ajuste selon la charge.
- Pour un cation (charge +) : nombre d'électrons = Z − charge
- Pour un anion (charge −) : nombre d'électrons = Z + charge
Exemple 1 : l'ion Fe²⁺ (Z = 26) Nombre d'électrons = 26 − 2 = 24 électrons
Exemple 2 : l'ion Cl⁻ (Z = 17) Nombre d'électrons = 17 + 1 = 18 électrons
Attention au piège du brevet : un ion appartient au même élément chimique que l'atome d'origine. L'ion Fe²⁺ et l'atome Fe ont tous les deux 26 protons → c'est toujours l'élément fer. Ce qui change, c'est le nombre d'électrons, pas le nombre de protons.
6. Atome ou ion ? Comment les distinguer
📌 À retenir
- Les tailles dans l'Univers s'échelonnent de 10²⁶ m (Univers) à 10⁻¹⁵ m (noyau). On utilise les puissances de 10 pour les comparer.
- L'atome est constitué d'un noyau (protons + neutrons) entouré d'électrons. Il est essentiellement composé de vide. Sa masse est concentrée dans le noyau.
- Z (numéro atomique) = nombre de protons. A (nombre de masse) = protons + neutrons. On en déduit N = A − Z.
- Un atome est électriquement neutre : il a autant de protons (+) que d'électrons (−).
- Chaque élément chimique est défini par son Z et se note ᴬ_Z X (ex : ⁵⁶₂₆Fe pour le fer).
- Un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons : cation (+) s'il a perdu des e⁻, anion (−) s'il en a gagné. Le nombre de protons ne change pas → même élément chimique.
- Ions courants : Na⁺, H⁺, Fe²⁺, Fe³⁺, Cu²⁺, Zn²⁺ (cations) ; Cl⁻, HO⁻ (anions).
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