Structure de l’atome — protons, neutrons et électrons

La structure de l’atome explique comment un atome est constitué de protons, de neutrons et d’électrons. En version courte : les protons identifient l’élément, les neutrons changent l’isotope et les électrons changent la charge.

Si vous gardez bien séparés ces trois rôles, la plupart des questions de débutant deviennent beaucoup plus simples. Vous pouvez déterminer de quel atome il s’agit, s’il correspond à un isotope précis et s’il est neutre ou s’il s’agit d’un ion.

La structure de l’atome en un coup d’œil

Un atome possède un minuscule noyau au centre et des électrons autour. Le noyau contient presque toute la masse de l’atome, car il renferme les protons et les neutrons.

Pour les bases de la chimie, c’est surtout cette représentation qui compte :

• les protons sont positifs et se trouvent dans le noyau
• les neutrons sont neutres et se trouvent dans le noyau
• les électrons sont négatifs et occupent des régions autour du noyau

Ce que change chaque particule

Protons

Les protons se trouvent dans le noyau et portent une charge positive. Le nombre de protons correspond au numéro atomique, et ce nombre détermine l’élément.

Si un atome a 8 protons, c’est de l’oxygène. S’il a 6 protons, c’est du carbone. Cela reste vrai même si le nombre de neutrons change.

Neutrons

Les neutrons se trouvent aussi dans le noyau, mais ils n’ont pas de charge électrique. Ils ajoutent de la masse et permettent de distinguer un isotope d’un élément d’un autre.

Changer le nombre de neutrons ne crée pas un nouvel élément. Cela crée un isotope différent du même élément, comme le carbone-12 et le carbone-14.

Électrons

Les électrons portent une charge négative et occupent des régions autour du noyau. En chimie de base, on les décrit souvent comme remplissant des couches ou des niveaux d’énergie.

Les électrons comptent surtout pour les liaisons et la formation des ions. Si l’atome est neutre, le nombre d’électrons est égal au nombre de protons. Si l’atome est un ion, cette égalité ne tient plus.

Numéro atomique vs nombre de masse

Ces deux termes sont faciles à confondre parce qu’ils correspondent tous les deux à des comptages, mais ils ne répondent pas à la même question.

Le numéro atomique indique combien de protons possède l’atome :

$$\text{atomic number} = \text{number of protons}$$

Le nombre de masse indique combien de protons et de neutrons se trouvent dans un atome précis :

$$\text{mass number} = \text{protons} + \text{neutrons}$$

Donc, si le nombre de masse est donné pour un isotope, vous pouvez trouver le nombre de neutrons avec

$$\text{neutrons} = \text{mass number} - \text{atomic number}$$

Cette soustraction ne fonctionne que si vous utilisez le nombre de masse d’un isotope précis, comme le carbone-12 ou le sodium-23. La valeur décimale du tableau périodique est différente : c’est une masse atomique moyenne pondérée, pas le nombre de masse d’un seul atome.

Exemple détaillé : carbone-12

Le carbone-12 est un bon exemple, car le nombre de chaque particule illustre une idée différente.

Le carbone a le numéro atomique 6, donc chaque atome de carbone possède 6 protons. Le nom carbone-12 indique que le nombre de masse est 12, donc

$$\text{neutrons} = 12 - 6 = 6$$

Si l’atome est neutre, il possède aussi 6 électrons, car les atomes neutres ont autant de protons que d’électrons.

Donc, un atome neutre de carbone-12 possède :

1. 6 protons
2. 6 neutrons
3. 6 électrons

Cet exemple unique permet de bien séparer les rôles. Les 6 protons en font du carbone, les 6 neutrons en font l’isotope carbone-12, et les 6 électrons le rendent neutre plutôt que chargé.

Pourquoi la structure de l’atome est importante

La structure de l’atome est le point de départ d’une grande partie de la chimie de base. Une fois que vous savez quelle particule modifie quoi, les chapitres suivants paraissent beaucoup moins déconnectés.

• Le nombre de protons est directement lié au tableau périodique.
• Le nombre d’électrons aide à expliquer les ions et les liaisons chimiques.
• Le nombre de neutrons aide à expliquer les isotopes et les différences de masse atomique.

C’est pourquoi la structure de l’atome réapparaît dans la configuration électronique, les tendances périodiques et les liaisons chimiques.

Erreurs fréquentes sur la structure de l’atome

Considérer le numéro atomique et le nombre de masse comme la même chose

Ils ne sont pas interchangeables. Le numéro atomique compte seulement les protons. Le nombre de masse compte les protons plus les neutrons.

Penser que les neutrons changent l’élément

Ce n’est pas le cas. Un atome avec un nombre de neutrons différent est généralement un isotope différent, pas un élément différent.

Oublier la condition d’un atome neutre

Le nombre d’électrons est égal au nombre de protons seulement lorsque l’atome est neutre. Pour un ion, le nombre d’électrons change selon la charge.

Utiliser la masse atomique du tableau périodique comme un nombre de masse

Le tableau périodique indique généralement une masse atomique moyenne. Il ne faut pas soustraire le numéro atomique à cette valeur décimale en espérant obtenir le nombre de neutrons d’un atome précis.

Quand on utilise la structure de l’atome

On utilise la structure de l’atome lorsqu’on étudie :

1. les isotopes
2. les ions
3. la configuration électronique
4. les tendances périodiques
5. les liaisons chimiques

C’est aussi la première étape pour lire la notation des nucléides et pour comprendre pourquoi des atomes d’un même élément peuvent avoir des masses différentes.

Essayez votre propre version

Essayez maintenant avec le sodium-23. Le sodium a le numéro atomique 11, donc trouvez d’abord les protons, puis les neutrons, puis les électrons pour un atome neutre.

Ensuite, comparez le sodium neutre avec $Na^+$. C’est une manière simple de voir que le nombre de protons identifie l’élément, tandis que le nombre d’électrons contrôle la charge.