L'atome ⚛️

Votre mission est de trouver le nombre d'électrons externes de l'élément chimique ci-dessous:

Pous vous aider:
• la règle de Klechkowski: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f
• vous pouvez utiliser le superCalculator😁 qui permet d'additionner les électrons des sous-couches saturées

1. What we do ??

Nommer la même chose de quatre manières différentes, apportent forcément beaucoup de confusion, donc précison!
Ici, on se contentera d'apprendre à répartir les électrons sur des couches / sous-couches électroniques.
Et pour faire ça, on utilisera le modèle planétaire de Bhor (dépassé) et la règle de Klechkowski.
La représentation d'une trajectoire circulaire pour les électrons est bien sûr fausse mais elle permet de comprendre plus facilement comment répartir les électrons.

2. La répartition par couche / sous-couche

Les termes couches, sous-couches sont hérités du modèle de Bohr, qui faisait orbiter les électrons sur des trajectoires circulaires.
On va avancer par étape : a) couches → b) sous-couches → c) j'ai plus de 18 électrons à répartir.

a. Répartir les électrons sur les couches électroniques

• Si on est logique on réparti un électron dans une couche puis dans une sous-couche
• Chaque couche est caractérisée par un nombre entier n>0 (ça commence à 1!)
• Une couche contient 2n² électrons au maximum (exemple: la 3ème (n=3) contient 2 x 3² = 18 électrons)
• n = 1 → 1ère couche , n = 2 → 2ème couche ect...
• Lorsqu'on a 18 électrons ou moins à répartir, il faut saturer les couches précédentes pour passer à la suivante.
• On note le numéro de la couche avec le nombre d'électron en exposant : 3² signifie "j'ai 2 électrons sur la couche numéro 3"

• la 1ère couche peut contenir 2n² = 2x1² = 2é → 1² (reste 12-2 =10é)
• la 2ème couche peut contenir 2n² = 2x2² = 8é → 1² 2⁸ (reste 10-8 =2é)
• la 3ème couche peut contenir 2n² = 2x3² = 18é → 1² 2⁸ 3² , 3² car il ne me restait plus que 2 électrons à mettre sur ma 3ème couche.
Donc la répartition de mes 12 électrons donnent 1² 2⁸ 3² ? Et non 😛! Car il manque les sous-couches.

b. Répartir les électrons sur les sous-couches

• chaque sous-couche est caractérisée par un nombre entier l tel que 0 ≤ l < n (ça commence à 0 et ça va jusqu'à n-1)
• Par exemple:
  • n = 1 → l prend la valeur 0
  • n = 2 → l peut prendre les valeurs 0 ou 1
  • n = 3 → l peut prendre les valeurs 0, 1 ou 2...
• Chaque sous-couche correspond à une lettre qu'il faudra utiliser dans la répartition des électrons (les 3 premières sont à connaître):
  • pour l = 0 on parle de la sous-couche s (pour sharp)
  • pour l = 1 on parle de la sous-couche p (pour principal)
  • pour l = 2 on parle de la sous-couche d (pour diffuse)
  • pour l = 3 on parle de la sous-couche f (pour fine), ect...
• Chaque sous-couche peut contenir 2(2l+1) électrons, il faut saturer les sous-couches pour passer à la suivante.
  • sous-couche s → l=0 → 2(2l+1) = 2, s contient au maximum 2é
  • sous-couche p → l=1 → 2(2l+1) = 6, p contient au maximum 6é
  • sous-couche d → l=2 → 2(2l+1) = 10, d contient au maximum 10é
  • sous-couche f → l=3 → 2(2l+1) = 14, f contient au maximum 14é
• Maintenant qu'on a toutes les règles, on va les appliquer pour répartir 12 électrons, sachant qu'on à déjà la répartition sur les couches : 1² 2⁸ 3²
  • 1²→ les 2é vont sur la sous-couche s → 1s²
  • 2⁸→ 2é vont sur la sous-couche s → 2s² , 6é sur la sous-couche p → 2p⁶ donc pour la 2ème couche on a 2s² 2p⁶
  • 3²→ les 2é vont sur la sous-couche s → 3s²
  La répartition électronique de nos 12 électrons est : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² .

• On remplit les 2 premières couches de la même façon: 1s² 2s² 2p⁶ , il reste 18 - 10 = 8 électrons à répartir sur la 3ème couche
• 3⁸→ 2é vont sur la sous-couche s → 3s², 6é sur la sous-couche p → 3p⁶ donc pour la 3ème couche on a 3s² 3p⁶
• Finalement on obtient : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶

c. Répartir plus de 18 électrons

d. La couche externe

1. Les particules

2. Les valeurs clées des particules

Nom	Masse (kg)	charge électrique (C)
électron	mélectron = 9,109 x 10 -31 kg	-e = 1,602 x 10-19C
proton	mproton = 1,673 x 10 -27 kg	+e = 1,602 x 10-19C
neutron	mneutron = 1,675 x 10 -27 kg	0

• L'unité de la charge électrique est le Coulomb (C)
• e est la charge élémentaire, vous avez remarqué que les protons et les électrons portent des chargent opposées!

3. Exploiter les valeurs clés : Réfléchissez et cliquez!

• Comparer la masse d'un proton et masse d'un neutron

Si on prend 3 chiffres significatifs au lieu de 4, on obtient la même valeur : 1,67 x 10 ^-27 kg pour les deux.
Du coup, on peut dire que les 2 masses sont pratiquement identiques et que la masse d'un nucléon est m_nucléon = 1,67 x 10 ^-27 kg.
Attention tout de même à ne pas arrondir systématiquement les valeurs, il faut faire attention au contexte, surtout dans l'infiniment petit!

• Comparer la masse d'un nucléon et la masse d'un électron

Si on y va "à la louche" pour calculer le rapport entre m_nucléon et m_électron, on obtient : _nucléon / m_électron ≈ 2000.
Ce qui signifie qu'on peut la plupart du temps, négliger la masse des électrons devant la masse des nucléons, c'est à dire négliger la masse des électrons par rapport à la masse du noyau.
La masse de l'atome est donc concentrée dans son noyau.
Ce que les chiffres du tableau ne montrent pas, c'est que le diamètre de l'atome est 100 000 fois! plus grand que le diamètre de son noyau.
Là tout de suite, vous êtes dans la peau d'un scientifique🤓, quelle hypothèse pouvez-vous faire?

L'atome est principalement constitué de vide!
C'est Rutherford qui l'a montré avec la célèbre expérience "de la feuille d'or" en 1909.

• Que dire par rapport à la charge électrique de l'atome
  sachant qu'un atome possède toujours autant de protons que d'électrons?

Protons et électrons portent des charges électriques opposées, concernant les conséquences sur les atomes, prenons l'exemple de l'atome de Carbone.
Il possède 6 protons et donc 6 électrons, la charge globale de l'atome est +6e - 6e = 0. L'atome de carbone à une charge globale nulle comme tous les atomes:
Les atomes sont électriquement neutres.
On sait que lorsqu'un atome gagne ou perd un ou plusieurs électrons, il se transforme en ion. Un électron possède une charge négative donc :

• Gagner un/plusieurs électron(s) → L'ion est chargé négativement (anion) , exemple: l'ion fluor F^- (l'atome a gagné un électron)
• Perdre un/plusieurs électron(s) → L'ion est chargé positivement (cation) , exemple: l'ion cuivre(II) Cu²⁺ (l'atome a perdu 2 électrons)

• La charge électrique du noyau ?
• Sachant que le noyau est composé de neutron(s) (charge 0) et proton(s) (charge +e),
• Le noyau est forcément chargé positivement!
• Le piège ça serait un noyau sans proton (et donc sans charge) mais ça n'existe pas, le plus petit atome est l'Hydrogène et son noyau possède un proton.

4. Symbole du noyau

Exemple de l'atome de carbone : 126C
• A = 12 , donc l'atome de carbone possède 12 nucléons
• Z = 6 , donc l'atome de carbone possède 6 protons
• Un atome possède aussi Z électrons, soit 6 électrons pour le Carbone
• N = A - Z = 12 - 6 = 6, le Carbone possède 6 neutrons

• La charge - est la charge globale de l'ion ( la charge du noyau est elle, toujours positive)
• 9 protons (Z=9)
• 19 nucléons (A=19)
• 10 neutrons (N = A -Z = 19 - 9 = 10)
• 10 électrons car l'atome F possède 9 électrons (Z = 9), l'ion F^- possède un électron en plus donc 10

5. Isotopes et éléments chimiques

Vous avez déjà entendu parler du Carbone 14 ou de l'Uranium 235? Il servent à quoi ces chiffres?
Et bien ces chiffres permettent d'identifier l'atome, parce que le Carbone 12 ou l'Uranium 238 existe aussi!
Plus précisément, ces chiffres correspondent au nombre de nucléons. Donc Carbone 12 et Carbone 14 ont des noyaux différents, mais pourquoi portent-ils le même nom du coup?

Voici 3 noyaux d'atomes de Carbones différents : 126C          136C         146C        . Différences et points communs pour ces 3 atomes?
• Un nombre de nucléons différents(12, 13, 14) et donc un nombre de neutrons différents(6, 7, 8)
• Même symbole (C), même nom (Carbone) et ... même nombre de protons(6)!

remarque: j'ai parlé du nombre d'Avogadro ici en donnant sa valeur (6,02x10²³ mol^-1), mais je n'avais pas donné la définition:

C'est le nombre d'atomes de Carbone dans 12g de Carbone 12.           
A votre avis qu'est-ce qui changerait si on remplace "Carbone 12" par "Carbone 13" dans la définition?
• Le Carbone 12 possède N = A - Z = 12 - 6 = 6 neutrons
• Le Carbone 13 possède N = A - Z = 13 - 6 = 7 neutrons
• Le Carbone 13 possède un neutron de plus, il est donc un peu plus lourd
• Le nombre d'Avogadro serait plus faible (il faudrait moins d'atomes pour atteindre 12g).

Votre mission est de trouver l'ion stable produit à partir de l'atome .

Pour vous aider:
• L'ion copie la structure électronique du gaz noble dont il est le plus proche.
• Donc il a le même nombre d'électrons...
• Symboles des noyaux (gaz nobles) : ₂He, ₁₀Ne, ₁₈Ar, ₃₆Kr, ₅₄Xe

Ajuster le nombre d'électrons, puis cliquer surfini