Notes sur les atomes PDF

L’atome est la plus petite unité possédant les propriétés d’un élément. Une tige de carbone coupée en morceaux de plus en plus petits donnera comme résultat final des atomes de carbone individuels. Le mot provient du grec atomos: a est le préfixe privatif et tomo signifie coupure ou division, donc...

L’atome est la plus petite unité possédant les propriétés d’un élément. Une tige de carbone coupée en morceaux de plus en plus petits donnera comme résultat final des atomes de carbone individuels. Le mot provient du grec atomos: a est le préfixe privatif et tomo signifie coupure ou division, donc atome veut dire indivisible. Néanmoins, l’atome est constitué d’environ 200 particules élémentaires (exemples: muon, gluon, boson de Higgs), dont nous ne traiterons que des trois plus connues et importantes pour nos besoins: proton, neutron et électron, les trois premières à avoir été découvertes. Notre étude des atomes sera minimale, dans le seul but d’expliquer ce qu’il nous est essentiel de savoir pour comprendre les liaisons chimiques qui conduisent à la formation des molécules constituant le vivant. STRUCTURE DE L'ATOME Particules élémentaires: protons, neutrons, électrons et modèle orbital Au centre de l’atome se trouve le noyau, à ne pas confondre avec d’autres désignations. Le mot noyau provient du latin nodus, qui signifie nœud, et est employé en biologie pour désigner l’organite central d’une cellule, le centre dur d’un fruit et un amas de cellules nerveuses dans le cerveau. Le terme est aussi employé ailleurs qu’en biologie (ex: le noyau d’un parti politique). Référence Le noyau de l’atome est constitué de protons, de charge électrique positive (+), et de neutrons, de charge neutre. En général, le nombre de neutrons égale le nombre de protons. Autour du noyau gravitent les électrons de charge négative (–). Les électrons gravitent à une vitesse approchant celle de la lumière (~300000km/s) et sont retenus autour du noyau par l’attraction de la charge positive des protons. Comme le nombre d’électrons d’un atome est égal au nombre de protons, l’atome est électriquement neutre. Les électrons sont organisés en couches. La première couche ne comprend jamais plus que deux électrons, les couches subséquentes peuvent en contenir davantage, comme nous verrons bientôt. Représentation de l'atome de carbone Référence Atome: dimension des constituants Référence Tout électron décrit une trajectoire spécifique en gravitant autour du noyau, c’est son orbitale, qui consiste en réalité à la probabilité que l’électron se trouve à un endroit donné correspondant à la forme de l’orbitale. On ne trouve jamais plus que 2 électrons par orbitale. Les électrons décrivent principalement deux grands types d’orbitales: en forme de sphère ou forme s (s pour l’adjectif sharp en anglais, pas pour sphère) ou en forme d’haltère ou forme p (de l’adjectif principal). Il existe des orbitales de forme plus complexe (d, f, g, h, i) retrouvées chez des éléments dont nous ne traitons pas. Types d’orbitales Référence Par exemple, le néon comprend 10 protons et 10 électrons. Ces 10 électrons sont distribués sur 2 couches et décrivent 5 orbitales:  les 2 électrons de la première couche (le maximum possible sur cette couche) gravitent sur une même orbitale de forme s (sphérique); la couche externe compte 8 électrons qui décrivent 4 orbitales: 1 orbitale de forme s et 3 orbitales de forme p dans trois axes différents (x, y, z). Saviez-vous que? La configuration des orbitales électroniques s'exprime selon une formule. Par exemple, pour le néon, la formule serait: 1s22s22p6, où les chiffres ordinaires 1 et 2 indiquent la couche, les lettres s et p la forme de l’orbitale et les chiffres en exposant le nombre d’électrons occupant chaque orbitale de la couche donnée. Puisqu’il n’y a jamais plus de 2 électrons par orbitale, on déduit qu’il y a 3 orbitales p dans la couche 2. Numéro atomique (Z) Le numéro atomique, Z, est le nombre de protons que contient un atome et s’inscrit généralement en indice à gauche du symbole de l’élément chimique. Le numéro atomique dévoile également le nombre d’électrons, puisque celui-ci est égal au nombre de protons. Par exemple, chaque atome de l’élément carbone, symbolisé par C, contient 6 protons, son numéro atomique Z est donc 6, inscrit comme suit: 6C. Ce chiffre dévoile également que le C possède 6 électrons. L’hydrogène H est l’atome le plus simple, avec Z=1 (1 proton et aussi 1 électron). Le sodium Na a un Z=11 et le chlore Cl a un Z=17. Masse atomique La masse de l’atome est la somme de la masse des particules élémentaires qui le composent. La masse de chaque proton est de 1, celle de chaque neutron est également de 1, mais la masse de chaque électron comme des autres particules élémentaires est ~0. À toutes fins pratiques, la masse d’un atome est la somme de la masse des protons et des neutrons. Elle s’inscrit généralement en exposant à la gauche du symbole de l’élément. Par exemple, chaque atome de carbone ayant 6 protons et 6 neutrons, il a une masse de 12, inscrite comme suit: 12C. Particules principales de l'atome  particule position masse charge proton dans le noyau 1 positive (+) neutron dans le noyau 1 neutre (0) électron autour du noyau 0 négative (–) Certains éléments ont des isotopes: le nombre de neutrons diffère du nombre de protons. Le carbone, normalement 12C, possède jusqu’à 15 isotopes, tel le carbone 14 employé pour dater les fossiles et les strates géologiques. 14C a donc 8 neutrons (14 – 6 = 8); 13C, quant à lui, a 7 neutrons (13 – 6 = 7); 8C n’en a que 2 (8 – 6 = 2). Les isotopes sont rares dans la nature mais peuvent être produits en laboratoire, tel ceux employés en médecine nucléaire pour le traitement de cancers. Deux isotopes du carbone et le C normal (qui comprend 99% du C sur Terre) Référence TABLEAU PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS Le chimiste russe Dmitri Mendeleev a le premier amené la notion que les éléments présentent une périodicité et, en 1869, a organisé les 63 éléments alors connus selon leur masse atomique croissante de sorte à représenter de façon efficace ladite périodicité. Il a classé les éléments, représentés par des symboles, en un tableau appelé tableau périodique des éléments, qui montre une organisation horizontale et verticale. On a longtemps appelé le tableau périodique «tableau de Mendeleev». Dmitri Mendeleev (1834-1907) Référence  Référence Organisation horizontale du tableau périodique: périodes On a déjà mentionné que, dans l’atome, les électrons sont organisés en couches autour du noyau. Les atomes qui ne possèdent qu’une seule couche d’électrons occupent la première ligne horizontale du tableau. Une ligne horizontale correspond à une période Les atomes possédant deux couches d’électrons occupent la deuxième période du tableau. Les éléments retrouvés sur la troisième période ont leurs électrons organisés en 3 couches, et ainsi de suite pour les éléments des périodes subséquentes. Il y a 7 périodes au tableau, mais une 8e est hypothétique. Tous les atomes du tableau périodique ne possèdent que deux électrons sur leur première couche, sauf l’hydrogène (H), l’élément le plus simple, qui n’en possède qu’un dans sa couche unique. Ainsi, la première période ne comprend que deux éléments: l’hydrogène H et l’hélium He, les seuls ayant une seule couche électronique: H avec 1 électron et He avec 2. Cette période est saturée à 2. La deuxième période comprend huit éléments qui ont tous en commun d’avoir les électrons de leurs atomes organisés en 2 couches: 2 électrons sur la première couche et de 1 à 8 électrons sur la deuxième couche, selon l’élément. Cette période est donc saturée à 8 électrons. Les électrons ne forment pas de troisième couche tant que la deuxième n’est pas saturée, donc seulement s’ils possèdent un total de 11 électrons ou plus. Les huit éléments de la troisième période du tableau ont leurs électrons sur 3 couches. Leurs première et deuxième couches sont saturées, respectivement, à 2 et 8 électrons, et leur troisième couche comprend de 1 à 8 électrons, selon l’élément. La troisième période est saturée à 8 électrons. Les trois premières périodes du tableau périodique (la forme des orbitales est schématisée en cercles) Référence Les périodes subséquentes, 4 à 7, se conforment en partie à ce patron d’organisation électronique. Cependant, on constate qu’il existe plus que huit éléments dans chacune de ces périodes (qui possèdent de 4 à 7 couches d’électrons), c’est-à-dire qu’on peut retrouver plus que 8 électrons à partir de la quatrième couche. Ceci s’explique par la forme des orbitales des électrons; c'est chez ces éléments qu'on peut retrouver les orbitales de formes d, f, g, h, et i, déjà mentionnées. Cela dit, le nombre total d’électrons de la dernière couche ne dépasse jamais 8. Deux exemples: le cuivre, à la quatrième période, a un Z=29 avec une répartition de ses électrons 2, 8, 18, 1; le mercure, à la sixième période, a un Z=80 avec une répartition électronique de 2, 8, 18, 32, 18, 2. Organisation verticale du tableau périodique: groupes Chaque colonne du tableau correspond à un groupe. Les atomes d’un même groupe ont la même configuration électronique sur leur couche externe, soit la couche de valence ou couche énergétique. À chaque groupe du tableau, le nombre d’électrons de valence augmente de un en allant de gauche à droite. Les propriétés chimiques des différents éléments dépendent grandement de leur nombre d’électrons de valence. Ainsi, les éléments de même valence (du même groupe) présentent des propriétés chimiques semblables. Cependant, les éléments dont la dernière couche est saturée, qui comprend le maximum de 8 électrons possible (2 pour l’hélium, vu son unique couche), qui occupent la colonne d’extrême droite dans le tableau, sont inertes, non réactifs: on ne parle pas de couche ou d’électrons de valence dans leur cas car ils n’établissent pas de liaisons chimiques, que nous étudierons bientôt. Trois atomes dont la dernière couche électronique est insaturée (gauche) et trois atomes d'éléments inertes (droite)