Structure atomique
Les atomes sont les éléments de base de tout ce qui nous entoure. Il en existe de différentes sortes, appelées éléments, mais chaque atome a certaines caractéristiques en commun. Tous les atomes ont un noyau central dense appelé noyau atomique. Ce noyau est formé de deux types de particules : les protons, qui ont une charge électrique positive, et les neutrons, qui n’ont pas de charge. Tous les atomes ont au moins un proton dans leur noyau, et le nombre de protons détermine le type d’élément auquel appartient un atome. Par exemple, un atome d’oxygène possède 8 protons. Si vous parveniez à faire passer le nombre de protons de cet atome à 7, même si tout le reste restait inchangé, ce ne serait plus un atome d’oxygène, mais d’azote. C’est pour cette raison que nous répertorions les différents éléments en fonction de leur numéro de proton, ou numéro atomique. Le tableau périodique des éléments est un tableau de tous les éléments qui ont été découverts jusqu’à présent, dans l’ordre de leur numéro atomique.
En plus des protons et des neutrons, tous les atomes possèdent des électrons, des particules chargées négativement qui se déplacent dans l’espace entourant le noyau nucléaire chargé positivement. Les électrons sont généralement représentés sur les dessins comme étant beaucoup plus petits que les protons ou les neutrons, car leur masse est beaucoup plus faible. En fait, la masse des électrons est si faible qu’elle n’est pas comptabilisée dans la masse d’un atome. Cependant, la force de charge d’un seul électron est égale à celle d’un seul proton, et malgré leur petite masse, les électrons sont importants pour équilibrer la charge d’un atome. Sauf indication contraire, les atomes ont toujours le même nombre d’électrons que de protons ; vous pouvez donc trouver le nombre d’électrons en regardant le numéro atomique. Mais contrairement aux protons, le nombre d’électrons peut changer et change effectivement sans affecter le type d’élément d’un atome !
Nous savons maintenant comment trouver le nombre de protons et le nombre d’électrons pour un atome donné, mais qu’en est-il des neutrons ? Combien de neutrons possèdent les atomes d’un élément donné ? Ce nombre n’est PAS toujours le même que le nombre de protons et d’électrons. Par exemple, l’hydrogène a un proton et un électron, mais il n’a pas de neutrons du tout ! Nous le déterminons en examinant la masse atomique. Même si un atome est si petit qu’il en faudrait près d’un million pour que vous puissiez voir ne serait-ce qu’un minuscule point sur votre écran d’ordinateur, chaque petit atome a bel et bien une masse et occupe de l’espace. Cette masse provient du noyau. Chaque proton et chaque neutron a à peu près la même masse, mesurée en daltons, ou unités de masse atomique (amus). Comme l’unité de mesure est définie par un proton, 1 proton = 1 neutron = 1 dalton = 1 amu. Les électrons ont bien une certaine masse, mais elle est presque 2000 fois inférieure à celle d’un proton. Il n’y a pas assez d’électrons dans aucun des atomes que nous connaissons pour affecter la masse totale ; par conséquent, la masse totale est égale à la somme des protons et des neutrons dans un atome.
Parce que nous pouvons trouver le nombre de protons et la masse atomique d’un atome en regardant les informations sur son élément dans le tableau périodique, nous pouvons calculer le nombre de neutrons dans cet atome en soustrayant le nombre de protons de la masse atomique.
Lorsque le nombre de neutrons est différent pour les atomes individuels d’un même élément, chaque atome est appelé un isotope. Lorsque vous lisez un tableau périodique, la masse atomique indiquée est la masse atomique moyenne de tous les isotopes de cet élément présents dans la nature. Par exemple, le carbone a une masse atomique de 12,01 dans le tableau périodique. Le carbone ne peut pas avoir 6,01 neutrons car on ne peut pas avoir une partie d’un neutron. La valeur est supérieure à 6 car, si la plupart des atomes de carbone ont 6 neutrons, on trouve certains atomes de carbone avec 7 neutrons et d’autres avec 8 neutrons. Pour nos besoins, nous arrondissons la masse atomique au nombre entier le plus proche pour calculer le nombre de neutrons.
Structure atomique
Cette vidéo illustre comment les atomes et leurs composants fonctionnent ensemble.
Electrons de valence
Maintenant que vous avez eu l’occasion de travailler avec les atomes en général, creusons un peu plus. Les électrons restent dans un atome en raison de leur attraction pour la charge positive des protons, mais ils ne sont pas aussi étroitement associés à l’atome que les protons ou les neutrons. Les électrons sont des particules compliquées car ils ont beaucoup d’espace à occuper dans un atome, mais ils sont également liés à une zone spécifique de cet atome. Bien que les dessins avec lesquels nous avons travaillé montrent le noyau comme un objet visible de taille moyenne au centre d’un atome, il est en fait très petit, et la majeure partie d’un atome est l’espace autour du noyau dans lequel les électrons se déplacent.
En raison de leur charge négative partagée, les électrons se repoussent les uns les autres s’ils sont trop proches. Dans le même temps, les électrons sont attirés par la charge positive du noyau. Les détails de l’énergie et de la position des électrons peuvent devenir vraiment compliqués, mais nous nous concentrerons uniquement sur ce que nous devons comprendre pour étudier les molécules de la vie.
Les électrons sont disposés en coquilles d’énergie (également appelées coquilles électroniques) autour du noyau atomique. Bien que les électrons disposent de beaucoup d’espace, ils veulent tous être le plus près possible de la charge nucléaire positive qui les attire. Dans le même temps, les électrons se repoussent les uns les autres en raison de leur charge négative, et seuls quelques-uns d’entre eux peuvent se rapprocher du noyau à tout moment. En pratique, seuls deux électrons peuvent tenir dans l’espace tridimensionnel le plus proche du noyau. Cet espace est appelé la première coquille énergétique. S’il y a trois électrons dans un atome, les deux premiers se trouveront dans la première coquille d’énergie. Le troisième électron devra se contenter de la deuxième enveloppe énergétique, un espace tridimensionnel un peu plus éloigné du noyau, où il sera seul. Dans cet exemple, l’électron solitaire est appelé électron de valence, et la coquille d’énergie la plus externe qui contient des électrons est appelée coquille de valence.
La deuxième coquille d’énergie est assez grande pour contenir jusqu’à huit électrons, regroupés par paires à l’intérieur de quatre orbitales électroniques, ou espaces où les électrons passent la plupart de leur temps. Cela signifie que s’il n’y a qu’un seul électron dans la deuxième coquille d’énergie, il reste beaucoup d’espace supplémentaire.
Lorsqu’une coquille d’énergie est incomplètement remplie, le ou les électrons de cette coquille ne sont pas aussi stables et sont plus susceptibles de réagir. Pour cette raison, les atomes ont tendance à réagir avec d’autres atomes de manière à remplir ou à vider leur coquille de valence pour gagner la stabilité d’une coquille d’énergie extérieure pleine. Les atomes peuvent le faire en gagnant ou en perdant des électrons pour devenir des ions ou en partageant des électrons avec d’autres atomes pour former des associations stables.
En utilisant le nombre d’électrons et les coquilles d’énergie, nous pouvons déterminer le nombre d’électrons de valence pour tout atome donné et son niveau de réactivité attendu. Lorsque vous travaillez avec l’exemple ci-dessous, vous devez vous rappeler que, bien que nous dessinions les enveloppes d’énergie sous forme de cercles autour d’un noyau atomique, cela n’est pas censé représenter un trajet réel des électrons. Le dessin des coquilles d’énergie sous forme de cercles concentriques vise à représenter la distance moyenne parcourue par les électrons de cette coquille d’énergie autour du noyau. En réalité, les électrons ne se déplacent pas sur une orbite circulaire comme le montre le dessin, mais empruntent des chemins beaucoup plus compliqués autour d’un noyau atomique.
.