Fiche à trous · Seconde · Physique-Chimie

Constitution de la matière — Atome et tableau périodique

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Un chimiste ne peut pas compter les atomes : il n'en voit aucun. Il ne sait que peser. Tout ce chapitre consiste à construire le pont entre ces deux mondes — celui des entités, invisibles et innombrables, et celui de la balance, qui affiche des grammes. Ce pont porte un nom, la mole, et un nombre, celui d'Avogadro. Une fois qu'on l'a traversé, la chimie quantitative devient une simple affaire de proportions.

L'atome et ses électrons

Définition — Structure électronique :

Définition — Ion monoatomique :

Prévoir l'ion formé par un atome

Exemple

Le magnésium a pour numéro atomique Z = 12. Donner sa structure électronique et prévoir l'ion qu'il forme.

Résultat :

Le tableau périodique

Règle

Trois familles à connaître. Les alcalins (première colonne) ont un seul électron de valence et donnent des ions +. Les halogènes (avant-dernière colonne) en ont sept et donnent des ions −. Les gaz nobles (dernière colonne) ont déjà une couche saturée : ils ne forment presque aucun composé, et c'est justement leur stabilité qui sert de référence à la règle de l'octet.

De l'atome à la balance : la mole

Définition — Mole et constante d'Avogadro :

Propriété

Piège

Traiter la masse molaire comme la masse d'un atome, ou écrire une concentration molaire sans avoir converti le volume en litres.

Avant tout calcul, écrire les données avec leurs unités : g, g·mol⁻¹, L.

Préparer une solution par dissolution

Ai-je rempli les couches dans l'ordre K, L, M, sans en entamer une avant la saturation de la précédente ?
Mon ion a-t-il une couche de valence saturée ?
Ai-je laissé le noyau intact en formant l'ion ?
Ai-je converti tous les volumes en litres avant d'écrire une concentration molaire ?
Ai-je utilisé la masse molaire en g·mol⁻¹ et la masse en grammes ?
Mon résultat a-t-il un ordre de grandeur plausible — quelques grammes, quelques dixièmes de mole ?

Corrigé · à détacher

Constitution de la matière — Atome et tableau périodique

1. Les électrons d'un atome se répartissent en couches successives, notées K, L, M. Chaque couche électronique a une capacité maximale : 2 électrons pour K, 8 pour L, 8 pour M au niveau de la seconde. On remplit dans l'ordre, en ne commençant une couche que lorsque la précédente est saturée. La dernière couche occupée est la couche de valence : c'est elle, et elle seule, qui détermine le comportement chimique.
2. $Z = 17 : (K)^{2} (L)^{8} (M)^{7}$
3. Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Le noyau ne change jamais : le nombre de protons, donc l'élément, reste le même. Un atome forme l'ion qui lui donne une couche de valence saturée — huit électrons, ou deux pour les plus légers. C'est la règle de l'octet, et elle explique pourquoi le sodium donne Na⁺ et le chlore Cl⁻ sans jamais faire l'inverse.
4. Écrire la structure électronique de l'atome à partir de son numéro atomique $Z$ .
5. Compter les électrons de la couche de valence, la dernière occupée.
6. Comparer à 8 : si le compte est proche de 8, l'atome gagne les électrons manquants ; s'il est proche de 0, il perd ceux de la couche de valence.
7. Écrire la charge en exposant, avec son signe : un électron gagné donne une charge négative.
8. Contrôler le sens : un ion positif a moins d'électrons que de protons, jamais l'inverse.
9. On remplit K, puis L, puis M :
10. La structure est donc (K)²(L)⁸(M)².
11. La couche de valence, M, ne porte que 2 électrons : il est bien plus économique de les perdre que d'en gagner six.
12. En perdant deux électrons, l'atome garde ses 12 protons et n'a plus que 10 électrons.
13. Mg²⁺, un cation de charge +2
14. Le tableau périodique classe les éléments par numéro atomique croissant. Une ligne, appelée période, correspond à une même couche électronique externe en cours de remplissage. Une colonne, appelée famille, rassemble les éléments ayant le même nombre d'électrons de valence — c'est pour cela qu'ils ont des propriétés chimiques semblables et forment le même type d'ion. Toute la puissance du tableau périodique tient dans cette phrase : la place prédit le comportement.
15. Une mole est un paquet d'entités, comme une douzaine est un paquet de douze. Le nombre d'entités par mole est la constante d'Avogadro, environ 6,02 × 10²³ mol⁻¹. La masse molaire $M$ , en g·mol⁻¹, est la masse d'une mole de l'entité considérée : c'est elle qu'on lit dans le tableau périodique, et c'est elle qui traduit une pesée en quantité de matière.
16. $n = \frac{m}{M}$
17. Pour une espèce dissoute dans un solvant, la concentration molaire $c$ est la quantité de matière de soluté par litre de solution. Elle s'exprime en mol·L⁻¹. La grandeur $V$ est le volume de la solution, pas celui du solvant ajouté, et il doit toujours être converti en litres avant le calcul.
18. $c = \frac{n}{V}$
19. Partir du but : la concentration molaire $c$ et le volume $V$ de solution souhaités.
20. Calculer la quantité de matière nécessaire par $n = c \times V$ , avec $V$ en litres.
21. Convertir cette quantité en masse à peser par $m = n \times M$ .
22. Dissoudre la masse pesée dans la fiole jaugée, puis compléter jusqu'au trait de jauge — le volume final est celui de la solution.
23. Vérifier que la masse pesée est mesurable : quelques grammes se pèsent, quelques microgrammes non.