Quelle est la structure de l'atome?

Élèves de CAP, ce cours vous donne toutes les connaissances sur la structure de l’atome et les molécules et les ions relatives au programme de sciences physiques du certificat d’aptitude professionnelle.

Dans ce chapitre, vous allez apprendre quels sont les différents constituants de l’atome, la définition de ce qu’est une molécule et saurez ce qu’est un élément chimique.
À l’issue de ce cours, vous pourrez tester vos connaissances et compétences sur le sujet avec un quiz.

Comprendre la structure de l'atome

L’atome est le plus petit constituant de la matière. Le mot « atome » provient du grec Atomos qui signifie insécable, indivisible. L’atome est souvent représenté par une sphère. Au centre de cette sphère, se trouve ce que l’on appelle le noyau et, autour du noyau, se situe un nuage électronique.

Masse et diamètre d'un atome

Masse et diamètre d’un atome
La masse de l’atome est majoritairement donnée par la masse du noyau alors que le diamètre de l’atome est donné par la taille du nuage électronique. En effet, le diamètre du noyau est de l’ordre de $10^{-15}$ mètre (un millionième de milliardième de mètre!) alors que le diamètre de l’atome est 100000 fois plus grand. Pour faire simple, si le diamètre du noyau mesurait 1 centimètre alors le diamètre de l’atome serait de 1 kilomètre !

Quelles sont les 3 particules qui constituent l'atome?

On a vu que l’atome se compose d’un noyau et d’un nuage électronique.
Deux particules constituent le noyau: les protons et les neutrons.

Le nuage électronique se composent, quant à lui, uniquement d’électrons. Chaque électron porte une charge négative, chaque proton porte une charge électrique positive. Et les neutrons comme leur nom l’indique ne porte ni charge positive ni charge négative.

Quid de la charge de l’atome? L’atome est électriquement neutre! Ce qui implique qu’il y a autant d’électrons dans le nuage électronique que de protons dans le noyau.

Un peu d'histoire de l'atome

En 420 avant JC, Leucippe de Milet en Grèce introduit la notion d’atome. Mais c’est en 1869 que le chimiste russe Dimitri Mendeleev classe en dans un tableau les éléments chimiques connus selon leur propriétés. Il donne naissance à la classification périodique des éléments et prédit ainsi la découverte d’atomes non connus de son temps.
En 1897, Thompson découvre l’electron et Rutherford le noyau en 1912. Ce dernier comprend que le noyau et composé de particules de charges qui peuvent être positives ou neutres: le nucléon. Mais c’est Chadwick qui mettra le neutron en évidence en 1932. En 1913, Bohr met en place un nouveau modèle d’atome en introduisant que les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites bien définies. Ce modèle simple à comprendre n’est pourtant pas complètement exact puisqu’à l’echelle atomique d’autres lois interviennent : c’est le domaine de la physique quantique.

Que retenir de la structure de l'atome

L’atome se compose d’un noyau et d’un nuage d’électrons
Dans le noyau, il y a deux types de particules: les protons de charge électrique positive et les neutrons sans charge. Ils sont regroupés sous le nom de nucléon
L’atome est électriquement neutre: il y a autant de protons que d’électrons dans un atome.
L’essentielle de la masse de l’atome est concentrée dans le noyau alors que le nuage d’electron contribue au volume de l’atome.

La classification périodique des éléments

Le tableau périodique de Mendeleiev

Comme mentionné plus haut, les éléments chimiques sont classés dans un tableau dit classification périodique des éléments ou tableau de Mendeleiev.

Dans ce tableau, chaque élément chimique y est représenté par une lettre ou deux lettres correspondant au nom de l’élément. Le tableau périodique indique également le nom de l’atome, son numéro atomique (c’est à dire son nombre de protons) et sa masse atomique.

Ainsi on comprend que l’atome de bore a pour symbole B, possède 5 protons (donc 5 électrons également) et à une masse atomique de 10,8. Ou que l’atome d’oxygène a pour symbole O, possède 8 protons et a une masse atomique d’environ 16.

De l'atome à la molécule

Une molécule est un assemblage électriquement neutre de deux atomes ou plus. Ces atomes peuvent être de même nature ou différents selon la substance étudiée.
Ces molécules sont définies à partir de leur formule brute (formule chimique) qui permet de connaître la nature et le nombre des atomes qui les composent.
Par exemple, la molécule d’eau a pour formule $H_2O$. Cette formule indique que la molécule d’eau se compose de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène.
Ou le dioxyde de carbone (gaz à effet de serre) a pour formule $CO_2$ et se compose donc de 2 atomes d’oxygène et d’un atome de carbone.

Pour lire la formule brute d’une molécule il faut comprendre que le nombre en indice indique le nombre d’atome correspondant à l’élément chimique qui le précède :
$$C_3H_8O$$
Le 3 indique le nombre de C, le 8 le nombre de H et O n’a pas de nombre en indice il y en donc un seul
Cette molécule comprend donc 3 atomes de Carbone, 8 atomes l’hydrogène et un atome d’oxygène.

Sur le modèle moléculaire ci-contre de la molécule $C_3H_8O$, on repère bien les 3 atomes de carbone en noir, les 8 atomes d’hydrogène en blanc et l’atome d’oxygène en rouge

Sur le modèle moléculaire de la molécule d’eau, on constate bien la présence d’un atome d’oxygène, en rouge, relié à 2 atomes d’hydrogène en blanc

Dans le prochain chapitre, nous aborderons la notion d’ions et leurs tests de reconnaissance. Vous pouvez donc maintenant passer au quiz d’évaluation de vos connaissances.