Décrire atomes et éléments

Un morceau de métal et une goutte d'eau sont visibles à l'échelle macroscopique. Pour comprendre leur composition, on utilise des entités microscopiques : atomes, molécules et ions. Une espèce chimique rassemble un très grand nombre d'entités de même nature. Une molécule est un assemblage d'atomes liés ; un ion porte une charge électrique. Le choix du mot dépend de la formule et de la structure décrites. Écrire H₂O ne revient pas à écrire un atome d'eau.

Un atome est constitué d'un noyau et d'un cortège électronique. Le noyau contient des protons, positifs, et des neutrons, sans charge électrique. Les électrons sont négatifs et beaucoup plus légers. On ne les décrit pas comme de petites planètes suivant des trajectoires définies autour du noyau. Les dessins de cette leçon sont des modèles de comptage : la taille des disques et leur position servent à identifier les constituants, sans reproduire une trajectoire ni les dimensions réelles.

L'ordre de grandeur de la taille d'un atome est 10⁻¹⁰ m et celui d'un noyau est 10⁻¹⁵ m. Leur rapport est de l'ordre de 10⁵. Un noyau est donc environ cent mille fois plus petit en taille caractéristique, tout en concentrant presque toute la masse. Un proton ou un neutron possède une masse voisine de 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; un électron a une masse voisine de 9,11 × 10⁻³¹ kg. Ces valeurs approchées suffisent aux comparaisons de seconde.

Le numéro atomique Z est le nombre de protons du noyau. Il définit l'élément chimique : tous les noyaux ayant Z = 6 appartiennent au carbone, quel que soit leur nombre de neutrons. Le nombre de masse A compte les nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons. Le nombre de neutrons est donc A − Z. Les nombres A et Z sont des entiers sans unité. A ne désigne pas directement une masse en grammes ou en kilogrammes.

L'écriture conventionnelle place A en haut à gauche et Z en bas à gauche du symbole de l'élément. Pour le sodium 23, on écrit ²³₁₁Na : A = 23, Z = 11. Pour retrouver la composition, on commence par les protons puis on soustrait pour obtenir les neutrons. Pour construire l'écriture à partir de la composition, on additionne protons et neutrons, puis on choisit le symbole correspondant à Z dans le tableau périodique.

Des isotopes sont des noyaux d'un même élément qui diffèrent par leur nombre de neutrons. Ils partagent Z mais n'ont pas le même A. Les isotopes ne sont pas des ions : le mot isotope décrit le noyau, tandis que la charge d'un ion dépend aussi des électrons. Modifier le nombre d'électrons conserve l'élément ; modifier le nombre de protons change l'élément. Cette distinction sépare les transformations du cortège électronique des transformations nucléaires.

La charge électrique élémentaire vaut e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C. Un proton porte +e, un électron porte −e et un neutron une charge nulle. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal à Z : les charges se compensent, mais les particules ne disparaissent pas. Pour une entité ayant Z protons et Ne électrons, la charge totale est q = (Z − Ne)e. Le signe indique le bilan des charges, pas la masse de l'entité.

Un cation porte une charge positive ; un anion une charge négative. La formation d'un ion monoatomique par perte d'électrons rend l'entité positive, car elle conserve plus de protons que d'électrons. Un gain d'électrons la rend négative. L'ion Mg²⁺ porte deux charges élémentaires positives ; il ne possède pas deux protons seulement. Le noyau de magnésium conserve ses douze protons et l'ion possède dix électrons. La charge s'écrit en exposant à droite du symbole.

À l'échelle macroscopique, un composé ionique est globalement électriquement neutre. Le chlorure de magnésium associe des ions Mg²⁺ et Cl⁻ dans la proportion d'un pour deux : la somme +2e − e − e est nulle. Sa formule est MgCl₂. Cela ne décrit pas une molécule isolée dans le cristal ; la formule rend compte du rapport entre les ions. Le chlorure de sodium solide se décrit de même par NaCl, avec autant d'ions sodium que d'ions chlorure.

La masse approchée d'un atome se calcule souvent en additionnant les masses des nucléons et en négligeant celle des électrons. On écrit alors m ≈ A × mnucléon, si la même masse approchée est retenue pour proton et neutron. Pour le sodium 23, cela donne environ 23 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 3,84 × 10⁻²⁶ kg. Le résultat est approché : les masses réelles et les effets liés à l'énergie de liaison du noyau ne sont pas détaillés dans ce modèle.

Une expérience ordinaire du laboratoire ne montre pas les atomes comme les disques d'un dessin. On confronte des observations à des modèles. Par exemple, la conduction d'une solution peut être reliée à la présence d'ions mobiles, mais elle ne donne pas à elle seule le nom de chaque ion. Dans une exploitation de données, il faut donc distinguer observation, calcul et interprétation. Les schémas aident à raisonner, sans remplacer les éléments expérimentaux qui soutiennent le modèle.