De l’atome à l’élément chimique

1Les entités chimiques

Définition. Un atome est une entité électriquement neutre, constituée d’un noyau et d’électrons. Une molécule est un assemblage d’atomes liés entre eux, elle aussi électriquement neutre ($\ce{H2O}$, $\ce{CO2}$).

Définition. Un ion est une entité électriquement chargée, obtenue à partir d’un atome ou d’un groupe d’atomes qui a perdu ou gagné des électrons. Un cation a perdu des électrons : il est chargé positivement ($\ce{Na+}$, $\ce{Fe^3+}$). Un anion en a gagné : il est chargé négativement ($\ce{Cl-}$, $\ce{SO4^2-}$).

Notation. Un ion est monoatomique s’il provient d’un seul atome ($\ce{Na+}$, $\ce{Cl-}$), polyatomique s’il provient d’un groupe d’atomes ($\ce{NH4+}$, $\ce{SO4^2-}$, $\ce{HO-}$).

Propriété. Un ion qui a perdu $n$ électrons porte la charge $q=+n\,e$ ; un ion qui en a gagné $n$ porte la charge $q=-n\,e$, où $e$ est la charge élémentaire.

2Solides ioniques et électroneutralité

Définition. Un solide ionique est un empilement régulier de cations et d’anions. Il est électriquement neutre : les charges positives et négatives se compensent exactement.

Méthode — écrire la formule d’un solide ionique. écrire le cation puis l’anion, sans les charges, et ajouter en indice le plus petit nombre entier de chaque ion qui assure la neutralité. Ainsi $\ce{Ca^2+}$ et $\ce{Cl-}$ donnent $\ce{CaCl2}$ (un ion $\ce{Ca^2+}$ pour deux ions $\ce{Cl-}$).

3Structure de l’atome

Définition. Le noyau d’un atome contient des protons, chargés positivement ($+e$), et des neutrons, neutres ; ces particules sont les nucléons. Autour du noyau se déplacent les électrons, de charge $-e$.

Notation. On écrit un noyau sous la forme $^{A}_{Z}\text{X}$, où X est le symbole de l’élément :

• $Z$ est le numéro atomique (ou nombre de charge) : c’est le nombre de protons ;
• $A$ est le nombre de masse : c’est le nombre de nucléons ;
• le nombre de neutrons vaut $N=A-Z$.

Propriété — neutralité de l’atome. un atome possède autant d’électrons que de protons : sa charge totale est nulle. Un ion monoatomique $^{A}_{Z}\text{X}^{n+}$ possède $Z$ protons, $A-Z$ neutrons et $Z-n$ électrons ; un ion $^{A}_{Z}\text{X}^{n-}$ en possède $Z+n$.

4Élément chimique et isotopes

Définition. Un élément chimique rassemble toutes les entités dont le noyau a le même numéro atomique $Z$ : l’atome, ses ions et ses isotopes appartiennent au même élément. C’est $Z$, et lui seul, qui définit l’élément.

Définition. Deux noyaux isotopes ont le même $Z$ et des nombres de masse $A$ différents : ils diffèrent par leur nombre de neutrons ($\ce{^{35}_{17}Cl}$ et $\ce{^{37}_{17}Cl}$).

Remarque. L’élément chimique se conserve au cours des transformations chimiques : les atomes se réorganisent, ils ne disparaissent pas.

5Masses, charges et ordres de grandeur

Propriété — structure lacunaire. la masse de l’atome est presque entièrement concentrée dans le noyau, qui occupe une part infime de son volume : l’atome est essentiellement constitué de vide.

6Savoir-faire du chapitre

7Exemples types