L'essentiel à connaître
Un atome, c'est un noyau minuscule fait de protons, chargés positivement, et de neutrons, sans charge, entouré d'électrons chargés négativement qui forment le nuage électronique. Le nombre de protons s'appelle le numéro atomique, noté $Z$, et c'est lui qui indique l'élément chimique, c'est-à-dire la sorte d'atome, comme le carbone ou le fer. Exemple : un atome d'aluminium contient 13 protons, donc $Z = 13$, avec 14 neutrons et 13 électrons (CEA).
La charge d'un électron est exactement l'opposée de celle d'un proton. Un atome a autant d'électrons que de protons : les charges se compensent, il est électriquement neutre. Au cours d'une transformation chimique, un atome peut perdre ou gagner des électrons. Il devient alors un ion, chargé positivement s'il en a perdu, négativement s'il en a gagné (CEA).
À retenir : un atome possède $Z$ protons et $Z$ électrons. L'ion $\text{Fe}^{3+}$ a perdu 3 électrons, l'ion $\text{Cl}^-$ en a gagné 1. Le nombre de protons, lui, ne change pas : un ion fer reste du fer.
Le diamètre d'un atome est de l'ordre de $10^{-10}$ m, et celui de son noyau est à peu près 100 000 fois plus petit. Pourtant, le noyau contient presque toute la masse de l'atome, car un proton ou un neutron est environ 1 840 fois plus lourd qu'un électron (CEA).
La classification périodique range les éléments par numéro atomique croissant : H ($Z = 1$), He ($Z = 2$), Li ($Z = 3$), et ainsi de suite. Chaque case indique le nom, le symbole et le numéro atomique de l'élément. Passer du nom au symbole et à $Z$, et inversement, est au programme du collège (cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020). Les lignes du tableau s'appellent des périodes et ses colonnes des familles : les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques voisines.
Piège classique : un symbole ne reprend pas toujours le début du nom français. Na désigne le sodium, K le potassium, et N l'azote. Lis la case au lieu de deviner.
Quiz : teste tes connaissances
Les questions montent en difficulté, et les trois dernières sont les plus piégeuses.
Question 1 : De quoi est fait le noyau d'un atome ?
Réponse : C. Le noyau rassemble les protons et les neutrons. Les électrons, eux, forment le nuage électronique autour du noyau : la proposition D, qui les met dedans, est fausse.
Question 2 : Quelle partie de l'atome porte une charge électrique négative ?
Réponse : D. L'électron est chargé négativement. Le neutron n'a aucune charge, et le noyau est chargé positivement puisqu'il contient les protons.
Question 3 : Que représente le numéro atomique $Z$ d'un atome ?
Réponse : A. $Z$ compte les protons du noyau, et c'est ce nombre qui désigne l'élément. Ce n'est pas le total des particules du noyau : l'aluminium a 13 protons et 14 neutrons, soit 27 particules, mais $Z = 13$.
Question 4 : Un atome de carbone possède 6 protons et 6 neutrons. Combien possède-t-il d'électrons ?
Réponse : B. Un atome a autant d'électrons que de protons, donc 6. La réponse 12 additionne les protons et les neutrons, alors que les neutrons n'entrent pas dans ce compte. Et un atome neutre n'est pas un atome sans électrons : ses charges se compensent.
Question 5 : Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?
Réponse : D. La charge d'un électron est exactement l'opposée de celle d'un proton : à nombre égal, elles se compensent. Les neutrons n'annulent rien, puisqu'ils n'ont pas de charge.
Question 6 : Où se trouve presque toute la masse d'un atome ?
Réponse : A. Un proton ou un neutron est environ 1 840 fois plus lourd qu'un électron : le noyau concentre presque toute la masse. Le nuage électronique occupe presque tout le volume, mais il pèse très peu, car plus grand ne veut pas dire plus lourd.
Question 7 : Quel est le symbole du sodium dans la classification périodique ?
Réponse : C. Le sodium s'écrit Na, avec $Z = 11$. S est le symbole du soufre et N celui de l'azote : un symbole ne reprend pas toujours le début du nom français.
Question 8 : Dans quel ordre la classification périodique range-t-elle les éléments ?
Réponse : B. D'une case à la suivante, l'atome a un proton de plus : H ($Z = 1$), He ($Z = 2$), Li ($Z = 3$), et ainsi de suite. Les neutrons ne servent pas au rangement : leur nombre peut même varier entre deux atomes d'un même élément.
Question 9 : Un atome possède 13 électrons et 14 neutrons. De quel élément s'agit-il ? Données : aluminium $Z = 13$, silicium $Z = 14$, fer $Z = 26$, cobalt $Z = 27$.
Réponse : D. Un atome a autant de protons que d'électrons, donc 13 protons : $Z = 13$, c'est l'aluminium. Le silicium vient d'une confusion avec les neutrons, qui ne désignent pas l'élément, et le cobalt de l'addition $13 + 14 = 27$.
Question 10 : L'ion sodium $\text{Na}^+$ s'est formé à partir d'un atome de sodium qui a :
Réponse : C. Le signe $+$ indique qu'il manque une charge négative : l'atome a perdu un électron. Il n'a pas gagné de proton, car avec 12 protons, ce ne serait plus du sodium mais du magnésium. Gagner un électron, comme en A, l'aurait rendu négatif.
Question 11 : Le chlore a pour numéro atomique $Z = 17$. Que contient l'ion chlorure $\text{Cl}^-$ ?
Réponse : A. Le chlore garde ses 17 protons. Le signe $-$ indique une charge négative en trop, donc un électron gagné : $17 + 1 = 18$ électrons. La proposition B retire l'électron au lieu de l'ajouter.
Question 12 : Le diamètre d'un atome est de l'ordre de $10^{-10}$ m, celui de son noyau de l'ordre de $10^{-15}$ m. Combien de fois le diamètre de l'atome est-il plus grand que celui de son noyau ?
Réponse : D. On divise : $\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{-10-(-15)} = 10^{5}$, soit 100 000 fois. Le piège A prend l'écart entre les exposants pour le rapport : 5 est l'exposant, pas le résultat. B vient d'une division faite à l'envers, C d'une multiplication.
Question 13 : Un ion possède 26 protons et 23 électrons. Lequel est-ce ? Données : vanadium $Z = 23$, fer $Z = 26$.
Réponse : B. L'élément se lit aux protons : 26 protons, c'est le fer. Il a 3 électrons de moins que de protons, donc 3 charges positives en trop : $\text{Fe}^{3+}$. Le piège A se trompe de signe, et C et D nomment l'élément d'après ses électrons.
Question 14 : Deux atomes ont chacun 6 protons ; l'un a 6 neutrons, l'autre 8. Que peut-on en dire ?
Réponse : C. Le nombre de protons définit l'élément : 6 protons, c'est du carbone dans les deux cas (CEA). Le piège A croit que les neutrons changent l'élément, alors qu'ils changent seulement un peu la masse. Un ion se forme en gagnant ou en perdant des électrons, pas des neutrons, ce qui écarte B.
Sources
Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020 : version publiée par eduscol.
CEA, livret « L'atome », collection « De l'infiniment grand à l'infiniment petit », 2014 : lire le livret.