Pour exprimer des longueurs aussi petites, on utilise des sous-multiples du mètre :
| Préfixe | Symbole | Valeur | Exemple |
|---|---|---|---|
| milli | m | $\pu{E-3}$ | 1 mm = $\pu{E-3 m}$ |
| micro | µ | $\pu{E-6}$ | 1 µm = $\pu{E-6 m}$ |
| nano | n | $\pu{E-9}$ | 1 nm = $\pu{E-9 m}$ |
| pico | p | $\pu{E-12}$ | 1 pm = $\pu{E-12 m}$ |
| femto | f | $\pu{E-15}$ | 1 fm = $\pu{E-15 m}$ |
D'un sous-multiple au suivant, on divise par 1 000.
Taille d'un atome
$$\pu{0,1 nm} = \pu{E-10 m}$$
Taille d'un noyau
$$\pu{1 fm} = \pu{E-15 m}$$
À retenir
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Du cheveu au noyau : l'échelle des tailles
En 1909, sous la direction d'Ernest Rutherford, Hans Geiger et Ernest Marsden bombardent une très fine feuille d'or avec des particules α (des noyaux d'hélium), et observent où elles arrivent. Presque toutes traversent la feuille sans être déviées : elles ne rencontrent rien. Mais quelques rares particules sont fortement déviées, et certaines rebondissent même vers l'arrière ! Rutherford en conclut en 1911 que la charge positive et presque toute la masse de l'atome sont concentrées dans un noyau minuscule.
Animation interactive
L'expérience de Rutherford
Une particule n'est fortement déviée que si elle passe tout près d'un noyau. Pour que l'animation soit lisible, les noyaux y sont dessinés bien plus gros qu'en réalité : dans l'expérience, à peine une particule sur 8 000 était renvoyée vers l'arrière.
Le modèle de l'atome. Le dessin n'est pas à l'échelle.
Le modèle de l'atome
L'atome est constitué d'un nuage électronique entourant son noyau.
| Particule | Charge | Masse |
|---|---|---|
| électron | $\pu{-1,6E-19 C}$ | $\pu{9,1E-31 kg}$ |
| proton | $\pu{+1,6E-19 C}$ | $\pu{1,7E-27 kg}$ |
| neutron | $\pu{0 C}$ | $\pu{1,7E-27 kg}$ |
La charge électrique élémentaire
La charge d'un proton est la plus petite charge électrique qu'un objet isolé puisse porter : c'est la charge électrique élémentaire, notée e, avec $e = \pu{1,6E-19 C}$. Un proton porte la charge $+e$, un électron la charge $-e$.
Question
Que remarquez-vous, concernant les charges, puis concernant les masses ?
À retenir
Masse d'un atome
$$m_\text{atome} \approx m_\text{noyau} \approx A\times m_\text{nucléon}$$
Exercice : comparer la masse d'un atome et celle de son noyau
Un atome de carbone 12 contient 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons. Calculer la masse de son noyau, puis celle de ses électrons. Quelle part de la masse de l'atome les électrons représentent-ils ?
Les électrons représentent moins d'un trois-millième de la masse de l'atome : la masse de l'atome est bien, à très peu près, celle de son noyau. Pourtant, l'atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau.
Animation interactive
Construire un atome, puis un ion
Définition
Un ion est un atome ou un assemblage d'atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
À retenir
Comme les atomes et les molécules sont électriquement neutres, les ions sont chargés :
Exemples
La charge s'écrit en exposant, en multiples de la charge élémentaire $e = \pu{1,6E-19 C}$ : $\ce{Cu^2+}$ porte la charge $+2e$.
Définition
Une molécule est une entité électriquement neutre comprenant plus d'un atome.
Exemple : le saccharose (le sucre de table), de formule $\ce{C12H22O11}$. Chaque molécule compte 12 atomes de carbone, 22 atomes d'hydrogène et 11 atomes d'oxygène, soit 45 atomes.
Le noyau renferme l'identité de l'atome
À un numéro atomique correspond un symbole chimique unique, fait d'une majuscule parfois suivie d'une minuscule. Il désigne l'élément chimique.
Élément chimique
Un élément chimique est l'ensemble des atomes (isolés ou engagés dans un édifice polyatomique neutre ou chargé) et des ions monoatomiques comportant un même nombre de protons dans leur noyau.
Le cycle du cuivre, dans l'ordre de la vidéo. L'ion tétraammine cuivre II, $\ce{[Cu(NH3)4]^2+}$, est un ion polyatomique : un ion cuivre II associé à quatre molécules d'ammoniac $\ce{NH3}$.
Cuivre + acide nitrique. Le métal est attaqué et disparaît : le cuivre passe en solution sous forme d'ions cuivre II, $\ce{Cu^2+}$. Il se dégage des vapeurs rousses de dioxyde d'azote, toxique : la manipulation se fait sous la hotte.
Ajout d'eau distillée. On dilue la solution, qui prend la couleur bleue caractéristique des ions cuivre II. Le cuivre n'est pas transformé.
Ajout de soude (une solution d'hydroxyde de sodium). Les ions hydroxyde $\ce{HO-}$ s'associent aux ions cuivre II : il se forme un précipité bleu d'hydroxyde de cuivre, $\ce{Cu(OH)2}$, un solide qui ne se dissout pas dans l'eau.
Chauffage. L'hydroxyde de cuivre perd de l'eau et se transforme en oxyde de cuivre, $\ce{CuO}$, un solide noir.
Rinçages et décantations. On laisse l'oxyde de cuivre se déposer, on retire le liquide, puis on rince à l'eau : on élimine ainsi les ions restés en solution (sodium, nitrate). Le cuivre n'est pas transformé.
Ajout d'acide sulfurique. L'oxyde de cuivre se dissout : on retrouve des ions cuivre II en solution, bleue.
Ajout d'ammoniac. Les molécules d'ammoniac $\ce{NH3}$ s'associent aux ions cuivre II pour former l'ion polyatomique tétraammine cuivre II, $\ce{[Cu(NH3)4]^2+}$ : la solution devient d'un bleu céleste intense.
Chauffage jusqu'à ébullition. La solution garde le même aspect : l'ion tétraammine cuivre II est stable, il ne se décompose pas.
Ajout de magnésium, en continuant de chauffer doucement. Le magnésium est un métal plus « réactif » que le cuivre : il cède des électrons aux ions cuivre II, qui redeviennent du cuivre métallique. Un dépôt rouge-orangé de cuivre apparaît, et la solution se décolore peu à peu.
Ajout d'acide chlorhydrique. Il dissout le magnésium en excès (avec un dégagement de dihydrogène), mais pas le cuivre. On isole ainsi le cuivre métallique : le cycle est bouclé.
Si toutes les étapes sont soignées, on récupère presque toute la masse de cuivre de départ : il ne s'est ni créé ni perdu de cuivre, il a seulement changé de forme.
À retenir
Le cuivre n'a jamais disparu : la preuve, on le retrouve à la fin. Son noyau n'est jamais modifié par les transformations chimiques ; seul son nuage électronique l'est. L'identité de l'élément cuivre est gardée en son cœur, dans les 29 protons de son noyau.
Le rêve des alchimistes
Le rêve des alchimistes, transformer le plomb en or, était donc voué à l'échec : aucune réaction chimique ne sera jamais capable de modifier un élément. Seules les réactions nucléaires, beaucoup plus énergétiques, le peuvent.
Le rêve des alchimistes a fini par être réalisé, mais par la physique nucléaire. En 1980, l'équipe de Glenn Seaborg, à Berkeley, a transformé quelques milliers d'atomes de bismuth en or, dans un accélérateur de particules. En 2025, l'expérience ALICE du Grand collisionneur de hadrons (LHC), au CERN, a observé la transformation de noyaux de plomb en noyaux d'or : lors de collisions frôlantes, un noyau de plomb ($Z = 82$) peut perdre trois protons et devenir un noyau d'or ($Z = 79$). Les quantités produites sont infimes, de l'ordre du milliardième de milligramme, et ces noyaux se brisent presque aussitôt : aucune fortune à faire !
Tous les éléments connus sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments. Sa première version a été conçue par le chimiste russe Dmitri Mendeleïev, en 1869. Le tableau contient aujourd'hui 118 éléments.
Le coup de génie de Mendeleïev fut de laisser des cases vides dans son tableau, là où les propriétés des éléments connus ne s'enchaînaient pas. Il prédit l'existence et les propriétés d'éléments encore inconnus, qu'il appela « éka-aluminium » ou « éka-silicium ». Ils furent découverts dans les années suivantes : le gallium (1875), le scandium (1879) et le germanium (1886), avec les propriétés annoncées.
Animation interactive
Le tableau périodique des éléments
Cliquez sur un élément pour afficher sa fiche. Le groupe 3 contient le scandium, l'yttrium, le lutécium et le lawrencium, et le bloc f compte quatorze éléments par ligne : c'est la disposition recommandée par l'IUPAC.
Les éléments radioactifs
À partir du polonium ($Z = 84$), tous les éléments sont radioactifs : aucun de leurs isotopes n'est stable. Le bismuth ($Z = 83$) l'est aussi, mais de façon infime : la moitié de ses atomes met environ $\pu{2E19}$ années à se désintégrer, plus d'un milliard de fois l'âge de l'Univers. Deux éléments plus légers sont également radioactifs : le technétium ($Z = 43$) et le prométhium ($Z = 61$).
Remarque
Comme un numéro atomique n'est associé qu'à un unique symbole chimique, on peut se passer de $Z$ pour déterminer la composition du noyau : il suffit de lire le numéro atomique de l'élément dans le tableau périodique. On écrit ainsi $\ce{^{63}Cu}$ au lieu de $\ce{^{63}_{29}Cu}$.
Question
Comment obtenir le nombre de neutrons $N$ d'un noyau, si l'on connaît $Z$ et $A$ ?
Nombre de neutrons
$$N = A - Z$$
Des noyaux qui ont le même nombre de protons, mais pas le même nombre de neutrons, sont des isotopes : ils appartiennent au même élément chimique. Par exemple, $\ce{^{12}_{6}C}$ (6 neutrons) et $\ce{^{14}_{6}C}$ (8 neutrons) sont deux isotopes du carbone ; ils ont les mêmes propriétés chimiques. Le carbone 14 est radioactif : c'est lui qui permet de dater les restes d'êtres vivants, jusqu'à environ 50 000 ans.
Entraînement
Noyaux et ions
Quiz
L'atome, les ions et l'élément chimique
Résumé
Les protons donnent à l'élément son identité, et les électrons sa personnalité.