Noyau de l'atome et cortège électronique : cours de 2de

Depuis les chapitres précédents, tu sais identifier des espèces chimiques, distinguer un corps pur d'un mélange et préparer des solutions. Tout cela se joue à l'échelle de nos yeux, de nos balances et de nos éprouvettes. Ce chapitre te fait descendre à l'échelle microscopique : celle des atomes, qui constituent les molécules et les ions.

Un atome n'est pas une boule pleine et uniforme. Il possède deux parties très différentes : un noyau au centre, et un nuage d'électrons tout autour, qu'on appelle le cortège électronique. Le programme de seconde te demande de comparer leur taille et leur masse, d'écrire la notation d'un noyau, puis de décrire la répartition des électrons à l'aide d'une configuration électronique ².

Pourquoi s'intéresser à tout cela ? Parce que presque tout le comportement chimique d'un atome dépend de ses électrons, et en particulier de ceux qui sont les plus éloignés du noyau. C'est ce qui expliquera, dans les chapitres suivants, la place des éléments dans le tableau périodique, la formation des ions et celle des molécules. Ce cours est donc la base de toute la chimie de la classe de seconde.

Le noyau est minuscule. Sa taille est de l'ordre du femtomètre, soit $10^{-15}$ m, alors que celle de l'atome est de l'ordre de $10^{-10}$ m. Le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome ³.

Le noyau contient deux sortes de particules. Les protons portent une charge électrique positive. Les neutrons sont électriquement neutres ³. L'hydrogène le plus courant, noté ${}^{1}\mathrm{H}$, est une exception : son noyau ne contient qu'un proton, sans aucun neutron ³.

Pourquoi le noyau ne se disloque-t-il pas, alors que les protons, tous positifs, se repoussent ? Une interaction particulière, l'interaction forte, maintient les nucléons ensemble et l'emporte sur la répulsion électrostatique entre les protons ³. Les forces nucléaires sont à peu près un million de fois plus grandes que celles qui s'exercent entre atomes ou molécules ³. Cette cohésion explique que les transformations chimiques, qui ne mettent en jeu que les électrons, laissent les noyaux intacts.

Tous les noyaux ne sont pas durables. Beaucoup sont radioactifs : instables, ils se transforment spontanément en d'autres noyaux ³. Les éléments dont le numéro atomique dépasse 82 n'ont que des noyaux instables ³. Jusqu'à $Z = 92$, qui correspond à l'uranium, on en trouve naturellement sur Terre ; au-delà, les noyaux ont été fabriqués en laboratoire ³.

Autour du noyau se trouvent les électrons. Leur ensemble constitue le cortège électronique. Pour un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc égal à $Z$. Un atome de numéro atomique 8 possède ainsi 8 électrons.

Il serait tentant d'imaginer les électrons tournant autour du noyau comme des planètes autour du Soleil. Ce modèle planétaire, ainsi que celui de Bohr, a été dépassé. Dans le modèle quantique, les électrons ne suivent pas de trajectoire : ils se répartissent dans un volume autour du noyau, selon une probabilité de présence ⁴. La région où l'on a de bonnes chances de trouver un électron s'appelle une orbitale atomique.

La configuration électronique des gaz nobles (hélium, néon, argon) est considérée comme responsable d'une stabilité chimique remarquable ¹. Le néon ($Z = 10$) s'écrit $1s^2\,2s^2\,2p^6$ : sa couche externe est pleine. Les autres atomes tendent à obtenir une configuration de gaz noble en gagnant ou en perdant des électrons.