Collège : atome, molécules et ions

Le mot atome vient du grec atomos qui ne peut pas être coupé. Les Grecs avaient déjà compris, bien avant la naissance de Jésus-Christ, qu’il y avait dans la matière quelque chose de tellement petit qu’on ne pouvait pas le couper. Il s’agit de la partie théorique du cours, elle reste très théorique par rapport aux attendus du DNB qui sont beaucoup plus simples. Néanmoins, il faut l’avoir vu en classe pour une poursuite au lycée où cette partie est reprise de façon beaucoup plus approfondie.

Molécules et atomes, un grand jeu de Lego

L’atome est le plus petit constituant de la matière. On compte 118 éléments regroupés dans la classification périodique dont 90 qui sont naturels. Ce qui veut dire que les 28 autres ont été fabriqués de façon artificielle. La différence entre atome et élément, on la verra plus loin avec les ions. On peut toutefois dire qu’il y a 118 atomes différents. On a ainsi 118 pièces de Légo différentes pour former tous les éléments naturels et artificiels que nous voyons au quotidien. L’assemblage des atomes donne des molécules.

Par Scaler,Michka B — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8985780

Dans certains cas, trouver quel atome compose telle matière est évident. On se doute que le fer est réalisé avec des atomes de… fer. Ceci n’est pas vrai pour tout, par exemple l’eau n’est pas fabriquée avec des atomes d’eau. Elle est fabriquée avec des molécules d’eau. La molécule d’eau est un assemblage d’atomes : H2O. Cela veut dire qu’il y a deux 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène.

C’est fait comment un atome ?

On peut se demander ce qui distingue un atome d’oxygène d’un atome de fer. En fait, dans cette définition de plus petit élément de la matière qu’on donne aux élèves, on ment. Il y a encore plus petit, et dans ce que nous allons voir ci-dessous il y a encore plus petit, mais c’est hors programme.

Un atome se compose de deux parties : le noyau et les électrons. Le noyau est composé de protons et de neutrons. On admettra que :

  • Les électrons sont de petites particules négatives qui tournent autour du noyau
  • Les protons sont de petites particules positives à l’intérieur du noyau
  • Les neutrons sont de petites particules neutres à l’intérieur du noyau
  • Il y a autant de protons que d’électrons, ce qui veut dire que l’atome est électriquement neutre.

Prenons le cas concret du sodium Na. En fait, le Na provient de natrium qui est l’ancien nom du sodium. Le choix du nom des symboles n’est pas toujours évident mais il a toujours du sens. On ne s’étonnera pas du C pour Carbone ou Ca pour Calcium.

D’après ce qui précède, on voit bien qu’il y a 11 électrons en rouge qui circulent autour du noyau au centre. Il y a 11 protons en bleu. 11- et 11+ donnent bien 0. L’atome de sodium est bien neutre électriquement parlant. On remarquera que les 12 neutrons qui sont à l’intérieur avec les 11 protons donnent 23. Ce nombre s’appelle numéro atomique, c’est la somme des protons et des neutrons.

Un atome est donc un assemblage comme pour les Lego mais avec des briques encore plus petites de protons, neutrons et d’électrons. Un nombre différent de chaque élément donne un atome différent.

Qu’est-ce qu’un ion ?

On a vu qu’autour du noyau tournent les électrons. On pourrait très bien imaginer qu’un électron s’en aille ou qu’un électron arrive. Ou plusieurs.

Prenons le cas du chlore Cl. Nous savons désormais que l’atome de chlore est neutre. Il a autant de protons que d’électrons. Imaginons maintenant qu’un électron vienne se rajouter à l’atome comme le montre le schéma suivant.

On a une charge – qui vient déséquilibrer l’ensemble. Le chlore devient Cl car il y a une charge – de plus. On ne parle plus d’atome mais d’ion. Lorsqu’un atome gagne des charges négatives, on parle d’anion. Si par contre on a un électron qui s’en va, il y aura plus de charge positive que de charges négatives. Le sodium Na par exemple, peut perdre un électron, il devient alors Na+. On parle alors de cation.

Quelques exemples de cations : Ca2+, Cu2+, Mg2+

Quelques exemples d’anions : SO4,O2-

On notera que Ca2+, Cu2+, Mg2+ ou O2- ne contiennent qu’un seul type d’atome, on parle d’ions monoatomiques. En outre, SO4 se compose de S et de O, il s’agit d’ions polyatomiques. Mono pour un seul, poly pour plusieurs.

On peut symboliser cette perte ou ce gain d’électrons de la façon suivante :

\[ Cl + e^{-} \rightarrow Cl^- \] \[ Na^+ + e^{-} \rightarrow Na \] ou \[ Mg^{2+} + 2e^{-} \rightarrow Mg \]

3 Comments

  1. petite erreur : Il y a autant de protons que de neutrons non. que d’électrons (comme écrit un peu plus loin)

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