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Eléments chimiques et atomes

1 Les éléments chimiques

1.1 Définition

• Ce qu'il faut retenir c'est qu'au niveau macroscopique (ce que nous pouvons voir) un élément chimique est ce qui se conserve au cours des transformations successives.
• L'exemple du cuivre que l'on étudie en classe permet de mettre en évidence 2 choses :
  • L'élément cuivre se conserve au cours des différentes réactions
  • L'élément ne correspond pas à une forme donnée : il n'est pas un liquide ou un gaz.

Un corps est dit :

• Simple si il ne contient qu'un seul élément
• Composé si il est constitué par plusieurs éléments

La formule d'un composé chimique nous indique :

• Les éléments qui le composent
• Le nombre d'atomes de chaque élément par molécule de composé

Exemple : le dioxyde de carbone CO2 est un corps composé (constitué par 2 éléments: le carbone C, et l'oxygène O), et chaque molécule de dioxyde de carbone comporte 1 atome de carbone, et 2 atomes d'oxygène.

1.2 Symbole

Chaque élément possède un nom et un symbole qui lui sont propres. Le symbole commence toujours par une majuscule, suivie parfois d'une minuscule pour éviter les confusions.

Exemples :

• Au est le symbole de l'Or
• Al est celui de l'aluminium
• N est le symbole de l'azote
• P est celui du phosphore et K celui du potassium

1.3 La réaction chimique

Règle essentielle: Au cours des réaction chimiques les atomes des différents éléments se conservent!!
(cf Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme")

Cela ne veut pas dire que les molécules restent les mêmes, mais que dans les équations bilans il faut bien veiller à ne pas avoir "perdu" des atomes en route.

On appelle cela la "loi de conservation des éléments"

Comment formaliser une réaction chimique? pour cela on écrit l'équation bilan de la réaction sous la forme :
REACTIFS -> PRODUITS

• Les REACTIFS sont des composés chimiques consommés par la réaction
• Les PRODUITS sont des composés chimiques formés au cours de la réaction

Les coefficients "stœchiométriques" sont les coefficients qui, placés devant les réactifs et les produits permettent d'assurer la conservation des atomes.

Ils sont choisis le plus petit possible (lorsque l'on a le choix)

Si une équation bilan est équilibrée alors les coefficients de cette équation sont dits stœchiométriques.

Application dans les exercices

1. Notez les Réactifs et les Produits de la réaction (veillez à connaître les formules des principaux ions et composés chimiques)
2. Bien s'assurer que les éléments (pas les atomes, on les équilibrera plus tard) soient présents à la fois dans les Réactifs et dans les Produits.
3. Calculer alors les coefficients stœchiométriques (ceux qui vont équilibrer l'équation bilan)

2 La structure des atomes

2.1 Trois points fondamentaux

• Les atomes sont ce qui compose la matière
• Les atomes comportent 2 parties: le noyau et les électrons
• Les atomes sont globalement électriquement neutres

2.2 Le noyau

Il est composé de particules qui s'appellent les nucléons. Il existe 2 sortes de nucléons

• Les protons: qui sont chargés positivement
• Les neutrons: qui ont une charge nulle

2.3 Numéro atomique et nombre de masse

Le nombre de protons contenus dans un noyau est indiqué par le Numéro atomique, noté Z, du noyau. Le nombre de masse, noté A, est égal au nombre de nucléons que comporte le noyau. Donc Z-A est le nombre de neutrons que comporte le noyau.

Danger, vérifiez toujours que vous avez bien Z<A, sinon c'est mal parti.

2.4 Les électrons

Ils sont porteurs d'une charge négative -e qui vaut -1.6´10-19C

Leur masse est environ 2000 fois plus faible que celle des nucléons

Tableau des caractéristiques des particules atomiques

A RETENIR ABSOLUMENT:

• La charge du proton est positive, elle vaut -e (e étant la charge de l'électron)
• Dans les calculs, la masse de l'électron est négligeable devant celle du noyau. Ainsi pour calculer la masse d'un atome, on calcule la masse de son noyau qui vaut A x masse d'un nucléon
• La masse d'un proton est très proche de celle d'un neutron
• L' atome étant électriquement neutre et la charge du noyau étant égale à Z x e (Nb de protons ´ charge d'un proton) on en déduit que la charge du nuage électronique est -Z x e.
• Or la charge d'un électron est -e, donc le nuage électronique comporte (-Z x e / -e) Electrons, c'est à dire Z électrons

Z = nombre de protons du noyau = nombre d'électrons = numéro atomique

2.5 Les ions

Un ion est un atome ou un groupement d'atomes qui a gagné ou qui a perdu un ou plusieurs électrons.

Or on a vu que l'atome était électriquement neutre, donc les ions ne sont jamais électriquement neutre. A l'aide des symboles + et -, on indique si l'ion est chargé positivement (il est alors appelé Cation) ou négativement (Anions).

• Cation : ion de la forme Xk+, k étant un nombre entier
  • L'atome a donc perdu k électrons
  • L'ion possède donc Z-k électrons
• Anion : ion de la forme Xk-, k étant un nombre entier
  • L'atome a donc gagné k électrons
  • L'ion possède donc Z+k électrons

!!!Dans tous les cas le nombre de protons et de neutrons reste inchangé!!!

2.6 Conséquences

Tout élément chimique est alors défini par son numéro atomique Z Le noyau des atomes et des ions dérivés de cet élément possèdent donc tous Z protons Les atomes (pas les ions) ont aussi Z électrons dans leur nuage électronique.

Notion d'isotope : deux isotopes ont le même numéro de masse atomique Z, mais des nombres de masse différents.
Ils ont donc :

• le même nombre d'électrons des propriétés chimiques identiques
• Un nombre différent de neutrons des propriétés nucléaires différentes