La structure de l'atome : un noyau, des électrons, et du vide

Toute la matière qui t'entoure — l'air, l'eau, le fer d'un clou, ta propre main — est faite de grains extrêmement petits, tous construits sur le même plan. Ces grains s'appellent des atomes.

Un atome est constitué d'un noyau central, très petit et très lourd, autour duquel se déplacent des électrons.

Le noyau lui-même n'est pas d'un seul tenant. Il contient deux sortes de particules :

• les protons, qui portent chacun une charge électrique positive ;
• les neutrons, qui ne portent aucune charge électrique — d'où leur nom.

Les électrons, eux, portent chacun une charge électrique négative. Pour éviter de répéter « les protons et les neutrons », on appelle nucléons les particules du noyau, quelles qu'elles soient : un nucléon est donc soit un proton, soit un neutron.

Le nombre de protons est la carte d'identité de l'atome. On l'appelle le numéro atomique et on le note $Z$. C'est lui, et lui seul, qui décide de quel élément chimique il s'agit : un noyau à 6 protons est du carbone, un noyau à 8 protons est de l'oxygène. Change le nombre de protons, tu changes d'élément.

Un atome est électriquement neutre. Ce n'est pas une propriété mystérieuse, c'est un comptage : l'atome possède exactement autant d'électrons que son noyau compte de protons. Autant de charges $+$ que de charges $-$, le bilan est nul.

Dans un atome : nombre d'électrons $=$ nombre de protons $= Z$.

Et surtout : un atome est presque entièrement vide. Voici les deux ordres de grandeur à connaître, ceux du programme :

Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Entre le noyau et les électrons, il n'y a rien. Si tu grossissais un atome jusqu'à la taille d'un stade de football, son noyau ne serait pas plus gros qu'une tête d'épingle posée au centre du terrain — et le reste du stade serait vide.

C'est déroutant, parce qu'un clou paraît bien solide. Mais la solidité d'un clou ne vient pas d'atomes « pleins » : elle vient des forces électriques qui tiennent ces atomes accrochés les uns aux autres.

1. La masse de l'atome est dans le noyau. Un proton et un neutron ont des masses très proches l'une de l'autre. Un électron, lui, est près de 1 800 fois plus léger qu'un proton. Conséquence : quand tu pèses un atome, tu pèses en réalité son noyau ; les électrons ne comptent presque pour rien dans le total.

Retiens la hiérarchie plutôt que les nombres :

Le noyau occupe une part minuscule du volume de l'atome, mais il en concentre presque toute la masse.

Remarque de niveau : le rapport exact de la masse du proton à celle de l'électron vaut $1\,836{,}15$. Cette valeur n'est pas exigible en 4e, et aucune masse d'atome en grammes ne l'est non plus : on se contente de compter les particules.

2. Chaque élément a un symbole. Un symbole chimique est une abréviation internationale d'un nom d'élément : une majuscule seule, ou une majuscule suivie d'une minuscule. Jamais deux majuscules.

Cette table ne se retient pas par cœur. Elle se lit dans la classification périodique des éléments, ce tableau fourni avec le sujet où chaque case porte le symbole, le nom et le numéro atomique de l'élément. Savoir y retrouver un élément à partir de son nom, et l'inverse, fait partie du programme ; mémoriser les valeurs de $Z$, non.

3. Les atomes s'assemblent en molécules. Les atomes restent rarement seuls : ils s'accrochent les uns aux autres.

Une molécule est un groupe d'atomes liés entre eux, qui se déplacent ensemble comme un seul objet.

On la décrit par sa formule chimique : les symboles des éléments présents, chacun suivi d'un indice — le petit nombre écrit en bas à droite — qui compte les atomes de cette sorte dans une molécule. Un indice absent vaut 1.

Une molécule d'eau n'est donc pas « un atome H₂ et un atome O » : il n'existe aucun atome qui s'appellerait « H₂ ». Il y a trois atomes, deux d'hydrogène et un d'oxygène.

4. Molécule ou atome isolé ? Certaines espèces chimiques ne sont pas des molécules. Un morceau de fer est un empilement d'atomes de fer, sans molécule : sa formule s'écrit simplement $\mathrm{Fe}$. Le carbone du charbon de bois s'écrit de même $\mathrm{C}$. En revanche, le gaz que tu respires est bien fait de molécules de dioxygène $\mathrm{O_2}$ : deux atomes d'oxygène liés.

5. Ce que tu verras plus tard. Un atome peut perdre ou gagner des électrons : il devient alors un ion, chargé électriquement — c'est le programme de 3e. La façon dont les électrons se rangent autour du noyau, et l'écriture symbolique qui superpose le nombre de nucléons et le numéro atomique devant le symbole, s'étudient en seconde. En 4e, on s'en tient à l'atome neutre et au comptage de ses particules.

Partie A — l'atome d'aluminium. Données : le numéro atomique de l'aluminium vaut $Z = 13$ ; le noyau étudié contient 14 neutrons.

1. Combien de protons ? Le numéro atomique est le nombre de protons du noyau :

Le noyau contient donc 13 protons.

2. Combien d'électrons ? L'atome est électriquement neutre : il possède autant de charges négatives que de charges positives, donc autant d'électrons que de protons.

L'atome d'aluminium possède 13 électrons.

3. Combien de nucléons ? Les nucléons sont les particules du noyau : les protons et les neutrons. On additionne.

Le noyau contient 27 nucléons.

4. Où est la masse ? Les 27 nucléons sont dans le noyau ; les 13 électrons tournent autour, et chacun est près de 1 800 fois plus léger qu'un proton. Presque toute la masse de l'atome est donc dans le noyau, qui occupe pourtant une part infime du volume.

Partie B — la molécule de butane. La formule du butane est $\mathrm{C_4H_{10}}$.

5. Que dit la formule ? L'indice écrit en bas à droite de chaque symbole compte les atomes de cette sorte dans une molécule : une molécule de butane contient 4 atomes de carbone et 10 atomes d'hydrogène, soit

6. Et dans 3 molécules de butane ? Chaque molécule apporte 10 atomes d'hydrogène :

et, toutes sortes confondues,

7. Le résultat a-t-il du sens ? Oui : les 42 atomes se répartissent en $4 \times 3 = 12$ atomes de carbone et $30$ atomes d'hydrogène, et $12 + 30 = 42$. Le compte est bon.

Réflexe d'auto-contrôle : quand une question porte sur un noyau, demande-toi d'abord quelles deux données l'énoncé te fournit. La troisième s'en déduit toujours par une addition ou une soustraction — jamais par une valeur apprise par cœur.

Figure (fig.chemistry.atom-structure, SVG programmatique à produire) : deux panneaux côte à côte, l'échelle à gauche, la formule à droite.

• Panneau de gauche — l'atome, à deux échelles. En haut, un grand disque en trait fin figure l'atome entier, légendé « atome : diamètre de l'ordre de $10^{-10}$ m ». En son centre, un point à peine visible, accompagné d'une flèche de rappel : « noyau : diamètre de l'ordre de $10^{-15}$ m — 100 000 fois plus petit ». Entre les deux, la mention « ici, il n'y a rien : du vide ». En bas du même panneau, un agrandissement du noyau (cartouche relié au point central par deux traits de perspective) : un amas de billes où les protons sont dessinés en trait plein et marqués d'un signe $+$, les neutrons en trait hachuré et marqués d'un rond vide ; légende « 13 protons, 14 neutrons — 27 nucléons ». À l'intérieur du grand disque, près de son bord, 13 petits points marqués d'un signe $-$, avec la légende « 13 électrons, près de 1 800 fois plus légers qu'un proton — ce sont eux qui délimitent le disque ».
• Panneau de droite — lire une formule. La formule $\mathrm{C_4H_{10}}$ écrite en très grand. Sous le symbole C, une accolade vers 4 billes étiquetées « atomes de carbone » ; sous le symbole H, une accolade vers 10 billes étiquetées « atomes d'hydrogène ». Une flèche pointe l'indice 4 avec l'étiquette « l'indice, en bas à droite, compte les atomes de cette sorte dans UNE molécule ». Bandeau de bilan : « $4 + 10 = 14$ atomes dans une molécule de butane ».
• Distinction sans couleur. Protons en trait plein avec signe $+$, neutrons en trait hachuré avec rond vide, électrons en petits disques pleins avec signe $-$ : chaque particule est identifiable par sa forme et son signe écrit, pas seulement par sa teinte.
• Encadré en bas de figure : « Nombre d'électrons $=$ nombre de protons $= Z$. Nombre de nucléons $=$ protons $+$ neutrons. »

Ce qu'il faut lire. Le message du panneau de gauche n'est pas le dessin du noyau : c'est l'écart entre les deux tailles. Le noyau ne se voit pas à l'échelle de l'atome, il faut l'agrandir pour le dessiner — et tout ce qui se trouve entre lui et les électrons est vide. Le message du panneau de droite est que l'indice se rapporte au symbole qui le précède, et à une seule molécule.

La figure en détail : deux schémas côte à côte. À gauche, un grand cercle représentant un atome d'aluminium, de diamètre de l'ordre de dix puissance moins dix mètre, avec en son centre un point représentant le noyau, de diamètre de l'ordre de dix puissance moins quinze mètre, soit cent mille fois plus petit ; un agrandissement montre ce noyau composé de treize protons chargés positivement et de quatorze neutrons sans charge, soit vingt-sept nucléons ; treize électrons chargés négativement occupent le pourtour du disque, l'espace entre eux et le noyau étant vide. À droite, la formule du butane, C quatre H dix, décomposée en quatre atomes de carbone et dix atomes d'hydrogène, soit quatorze atomes dans une molécule.

Domaine de validité. L'égalité « électrons $=$ protons » vaut pour un atome, c'est-à-dire pour une espèce électriquement neutre. Un atome qui a perdu ou gagné des électrons devient un ion : il n'est plus neutre, et cette égalité tombe. Les ions s'étudient en 3e.

Le quotient des ordres de grandeur. Diviser deux puissances de dix revient à soustraire les exposants :

Attention au double signe : $-(-15)$ vaut $+15$. Le résultat, $10^{5}$, s'écrit $100\,000$ : le noyau est cent mille fois plus petit que l'atome.

Vocabulaire à tenir ferme.

• Élément chimique : ce que définit le nombre de protons (le carbone, l'oxygène…).
• Atome : un noyau et ses électrons, électriquement neutre.
• Nucléon : une particule du noyau — un proton ou un neutron.
• Molécule : un groupe d'atomes liés entre eux.
• Indice : le petit nombre en bas à droite d'un symbole, qui compte les atomes de cette sorte dans une molécule.

1. Croire que l'atome est plein. C'est l'image spontanée : une petite bille compacte. Elle est fausse. Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome, et entre lui et les électrons il n'y a rien. Test mental : si le noyau était une tête d'épingle au centre d'un stade, où seraient les électrons ? Sur les gradins — et tout le terrain serait vide.
2. Lire $\mathrm{H_2O}$ comme « un atome H₂ et un atome O ». Il n'existe aucun atome nommé « H₂ ». L'indice 2 compte les atomes d'hydrogène : une molécule d'eau contient 3 atomes, deux d'hydrogène et un d'oxygène. Même erreur avec $\mathrm{CO_2}$ : ce n'est pas « du C et un O₂ », c'est 1 carbone et 2 oxygènes.
3. Donner aux électrons une masse comparable à celle des nucléons. Un électron est près de 1 800 fois plus léger qu'un proton. Négliger un électron dans un bilan de masse ne change presque rien ; négliger un nucléon change tout. La masse de l'atome est dans le noyau.
4. Croire qu'un neutron porte une charge négative. Son nom vient de « neutre » : il ne porte aucune charge. Ce sont les électrons qui portent les charges négatives, et ils ne sont pas dans le noyau.
5. Confondre l'indice et le nombre de molécules. Dans « 3 molécules de $\mathrm{CH_4}$ », le 3 écrit devant compte les molécules, le 4 écrit en bas à droite compte les atomes d'hydrogène dans une seule molécule. Le total d'atomes d'hydrogène vaut $4 \times 3 = 12$, jamais $4 + 3$.
6. Écrire un symbole avec deux majuscules. $\mathrm{CO}$ (une majuscule, une majuscule) désigne une molécule faite d'un carbone et d'un oxygène ; $\mathrm{Co}$ (majuscule puis minuscule) désigne l'élément cobalt. Une lettre de casse fautive change la substance.
7. Vouloir apprendre les numéros atomiques par cœur. Ils sont donnés : par l'énoncé, ou par la classification périodique fournie avec le sujet. Ce qui s'apprend, c'est la manière de s'en servir.
8. Croire qu'un atome peut changer d'élément en chimie. Le nombre de protons ne bouge jamais au cours d'une transformation chimique. Un atome de carbone reste du carbone, quelle que soit la molécule dans laquelle il se retrouve.

Exercice type. Les questions 1 à 4 sont exactement celles que l'exercice te posera : deux données sont toujours fournies, la troisième se calcule, et une variante compare les ordres de grandeur de l'atome et du noyau. La question 5 prolonge vers un second exercice, qui fait compter les atomes d'une formule.

1. L'atome de sodium a pour numéro atomique $Z = 11$ : son noyau contient 11 protons. Un atome est électriquement neutre. Combien d'électrons cet atome possède-t-il ?
2. Le noyau d'un atome de sodium contient 11 protons et 12 neutrons. Les nucléons sont les particules du noyau : les protons et les neutrons. Combien de nucléons ce noyau contient-il ?
3. Les nucléons sont les particules du noyau : les protons et les neutrons. Le noyau d'un atome de cuivre contient 63 nucléons, dont 29 protons. Combien de neutrons ce noyau contient-il ?
4. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de $10^{-10}$ m ; celui de son noyau est de l'ordre de $10^{-15}$ m. Combien de fois le diamètre du noyau est-il plus petit que celui de l'atome ?
5. Une molécule de méthane a pour formule $\mathrm{CH_4}$. Combien d'atomes, toutes sortes confondues, y a-t-il dans 4 molécules de méthane ?

Correction.

1. Le noyau porte 11 charges positives, une par proton ; les neutrons n'en portent aucune. L'atome étant électriquement neutre, il compte autant d'électrons que son noyau compte de protons :

L'atome de sodium possède 11 électrons.

2. Les nucléons sont les protons et les neutrons réunis : on additionne les deux nombres donnés.

Le noyau contient 23 nucléons.

3. Les neutrons sont les nucléons qui ne sont pas des protons : on soustrait.

Le noyau de cuivre contient 34 neutrons. Remarque : son numéro atomique vaut 29, puisque c'est le nombre de protons qui identifie l'élément cuivre.

4. On compare les deux ordres de grandeur en divisant, c'est-à-dire en soustrayant les exposants :

Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome. Entre les deux, il n'y a rien : l'atome est essentiellement constitué de vide.

5. L'indice compte les atomes dans une molécule : $\mathrm{CH_4}$ contient 1 atome de carbone et 4 atomes d'hydrogène, soit $1 + 4 = 5$ atomes. Dans 4 molécules :

Il y a 20 atomes en tout.

Auto-contrôle : dans les questions 1 à 3, aucun nombre n'a été appris par cœur — chacun se déduit des deux données de l'énoncé. Si tu as eu besoin de mémoriser quelque chose, relis l'énoncé : la donnée y était.