Les atomes et les ions

I) La structure de l’atome

1) Quelques modèles de l’atome. La structure de l’atome n’est connue qu’après plusieurs siècles de recherches. De nombreux modèles ont été proposés. Parmi les plus récents :

Le modèle de Bohr (modèle planétaire, 1913). Niels Bohr propose un atome qui ressemble au système solaire : un noyau au centre, et des électrons qui tournent autour selon des trajectoires circulaires bien définies.

Le modèle de Schrödinger (modèle actuel, 1926). Erwin Schrödinger a montré que les électrons n’ont pas des trajectoires circulaires. Ils occupent des zones de probabilité de présence : le nuage électronique.

2) Les constituants de l’atome. Un atome est constitué d’un noyau et d’électrons en mouvement autour du noyau.

2.1) Le noyau.

• Il a une forme sphérique et se situe au centre de l’atome.
• Son diamètre est environ 100 000 fois plus petit que celui de l’atome : l’atome a une structure lacunaire, il est surtout constitué de vide.
• La masse du noyau est environ 2000 fois plus grande que celle des électrons. La masse de l’atome est donc concentrée dans le noyau (la masse des électrons est négligeable).
• Le noyau est toujours chargé positivement.

2.2) Les électrons.

• Un électron est beaucoup plus petit que le noyau et tourne autour de celui-ci.
• Sa masse est très faible (négligeable).
• Chaque électron porte une charge électrique négative. On le symbolise e⁻. La charge d’un électron est −e.
• e est la charge élémentaire : la plus petite charge électrique portée par une particule dans la nature. e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
• C, le coulomb, est l’unité de charge électrique dans le système international.

3) La neutralité électrique (électroneutralité) de l’atome. Tous les électrons sont identiques, quel que soit l’atome. Les noyaux, eux, ne sont pas tous identiques.

• Chaque atome contient un nombre déterminé d’électrons, appelé numéro atomique et noté Z.
• Dans un atome, le nombre de charges positives du noyau égale le nombre de charges négatives des électrons. La charge totale qa est nulle : l’atome est électriquement neutre.
• qa = qe + qn = −Ze + Ze = 0.
• qe : charge des électrons de l’atome. qn : charge du noyau. qa : charge de l’atome.

II) Les ions

1) Définitions. Lors de certains phénomènes (transformations chimiques, frottements…), l’atome peut gagner ou perdre un ou plusieurs électrons. On obtient une particule électriquement chargée : un ion.

• Cation (ion positif) : atome ou groupe d’atomes qui a perdu un ou plusieurs électrons.
• Anion (ion négatif) : atome ou groupe d’atomes qui a gagné un ou plusieurs électrons.
• Ion monoatomique : un seul type d’atome (O²⁻, Al³⁺).
• Ion polyatomique : association d’atomes de types différents (NH₄⁺, SO₄²⁻).

2) La formule d’un ion. On écrit le symbole de l’atome (ou du groupe), puis en exposant le nombre et le signe des charges en excès, en comparant charges positives et charges négatives.

L’atome d’oxygène gagne deux électrons. Le noyau ne change pas (+8e). On obtient l’anion O²⁻.

L’atome d’aluminium perd trois électrons. Le noyau ne change pas (+13e). On obtient le cation Al³⁺.