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Un atome (Grec άτομον de ά: non et τομον: divisible) est une structure submicroscopique trouvée dans toute matière ordinaire. À l'origine, l'atome était considéré comme la plus petite particule de matière indivisible possible. Plus tard, les atomes se sont révélés être composés de particules subatomiques encore plus petites. Composés d'un noyau chargé positivement entouré d'un nuage d'électrons chargés négativement, les atomes présentent la dualité de la positivité et du négatif qui est caractéristique de tous les êtres existants. Les atomes sont les éléments constitutifs fondamentaux de la matière. Ils peuvent être classés en éléments et se combiner dans des rapports définis pour former des composés par liaison ionique ou covalente. Dans les réactions chimiques, ils ne sont ni créés ni détruits, et seraient conservés.

Théorie atomique

Structure atomique

Les atomes sont composés de trois types principaux de particules subatomiques:

  • les électrons, qui ont une charge négative;
  • les protons, qui ont une charge positive; et
  • les neutrons, qui sont gratuits.

Les protons et les neutrons forment ensemble le noyau de l'atome; une petite région dense et chargée positivement au centre de l'atome où réside la majeure partie de la masse de l'atome. Les protons et les neutrons sont eux-mêmes composés de particules plus petites appelées quarks. Les quarks et le noyau lui-même sont maintenus ensemble par la forte interaction. C'est l'une des quatre interactions de l'univers physique. Les électrons entourent le noyau dans une région diffuse de charge négative qui est beaucoup plus grande que le noyau lui-même et est responsable de la taille de l'atome. Les calculs mécaniques quantiques nous montrent que ces électrons ont une structure orbitale qui est responsable des propriétés physiques et chimiques de l'atome.

Chaque type de particule élémentaire possède également une antiparticule correspondante (voir physique des particules). Ainsi, des atomes d'antimatière peuvent potentiellement se former, composés d'antiélectrons, d'antiprotons et d'antineutrons.

Taille atomique

La taille d'un atome n'est pas facile à définir car les orbitales électroniques vont graduellement à zéro à mesure que la distance du noyau augmente. Pour les atomes qui peuvent former des cristaux solides, la distance entre les noyaux adjacents peut donner une estimation de la taille des atomes. Pour les atomes qui ne forment pas de cristaux solides, d'autres techniques sont utilisées, y compris des calculs théoriques. À titre d'exemple, la taille d'un atome d'hydrogène est estimée à environ 1,2 × 10-10m. Comparez cela à la taille du proton qui est la seule particule dans le noyau de l'atome d'hydrogène qui est d'environ 0,87 × 10-15m. Ainsi, le rapport entre la taille de l'atome d'hydrogène et son noyau est d'environ 100 000. Les atomes d'éléments différents varient en taille, mais les tailles sont à peu près les mêmes pour un facteur de 2 environ. La raison en est que les éléments avec une grande charge positive sur le noyau attirent plus fortement les électrons vers le centre de l'atome.

Éléments et isotopes

Les atomes sont généralement classés par leur numéro atomique, qui correspond au nombre de protons dans l'atome. Le numéro atomique définit de quel élément est l'atome. Par exemple, les atomes de carbone sont les atomes contenant 6 protons. Tous les atomes ayant le même numéro atomique partagent une grande variété de propriétés physiques et présentent le même comportement chimique. Les différents types d'atomes sont répertoriés dans le tableau périodique par ordre croissant de nombre atomique.

Le nombre de masse, le nombre de masse atomique ou le nombre de nucléons d'un élément est le nombre total de protons et de neutrons dans un atome de cet élément, car chaque proton ou neutron a essentiellement une masse de 1 amu. Le nombre de neutrons dans un atome n'a aucun effet sur son élément. Chaque élément peut avoir de nombreux atomes différents avec le même nombre de protons et d'électrons, mais un nombre variable de neutrons. Chacun a le même numéro atomique mais un nombre de masse différent. On les appelle les isotopes d'un élément. Lors de l'écriture du nom d'un isotope, le nom de l'élément est suivi du numéro de masse. Par exemple, le carbone 14 contient 6 protons et 8 neutrons dans chaque atome, pour une masse totale de 14.

L'atome le plus simple est l'atome d'hydrogène, qui a le numéro atomique 1 et se compose d'un proton et d'un électron. L'isotope de l'hydrogène qui contient également 1 neutron est appelé deutérium ou hydrogène-2; l'isotope de l'hydrogène à 2 neutrons est appelé tritium ou hydrogène-3.

La masse atomique répertoriée pour chaque élément du tableau périodique est une moyenne des masses isotopiques présentes dans la nature, pondérée par leur abondance.

Valence et collage

Le comportement chimique des atomes est largement dû aux interactions entre les électrons. Les électrons d'un atome restent dans certaines configurations d'électrons prévisibles. Les électrons tombent dans des coquilles en fonction de leur niveau d'énergie relatif, qui est généralement visualisé comme leur distance moyenne du noyau. Les électrons de la coquille la plus externe, appelés électrons de valence, ont la plus grande influence sur le comportement chimique. Les électrons du cœur (ceux qui ne sont pas dans la coque extérieure) jouent un rôle, mais c'est généralement en termes d'effet secondaire dû au criblage de la charge positive dans le noyau atomique.

Les fonctions des ondes orbitales atomiques de l'hydrogène. Le nombre quantique principal est à droite de chaque ligne et le nombre quantique azimutal est indiqué par une lettre en haut de chaque colonne.

Chaque coquille, numérotée de celle la plus proche du noyau (la plus basse en énergie), peut contenir jusqu'à un nombre spécifique d'électrons en raison de son sous-niveau et de sa capacité orbitale différents:

  • Shell 1: 2 capacité d'électrons - s sous-niveau - 1 orbital
  • Shell 2: 8 capacités d'électrons - s et p sous-niveaux - 4 orbitales
  • Shell 3: capacité de 18 électrons - s, p, et sous-niveaux - 9 orbitales
  • Shell 4:32 capacité d'électrons - s, p, , et F sous-niveaux - 16 orbitales

Pour déterminer la capacité électronique d'une coquille, la formule 2n ² est utilisé, où n est le nombre de shell ou le nombre quantique principal. Les électrons remplissent les orbitales et les coquilles de l'intérieur vers l'extérieur, en commençant par la première. La coquille occupée qui est actuellement la plus extérieure est la coquille de valence, même si elle n'a qu'un seul électron.

La raison pour laquelle les coquilles se remplissent dans l'ordre est que les niveaux d'énergie des électrons dans les coquilles les plus intérieures sont significativement inférieurs aux niveaux d'énergie des électrons dans les coquilles extérieures. Donc, si les coquilles intérieures n'étaient pas complètement pleines, l'électron dans une coquille extérieure "tomberait" rapidement dans la coquille intérieure (avec l'émission d'un photon qui emporterait la différence d'énergie).

Le nombre d'électrons dans la coquille de valence la plus externe d'un atome régit son comportement de liaison. Par conséquent, les éléments ayant le même nombre d'électrons de valence sont regroupés dans le tableau périodique des éléments. Les éléments du groupe (c'est-à-dire la colonne) 1 contiennent un électron sur leur enveloppe extérieure; Groupe 2, deux électrons; Groupe 3, trois électrons; etc. En règle générale, moins il y a d'électrons dans la coquille de valence d'un atome, plus il est réactif. Les métaux du groupe 1 sont donc très réactifs, le césium, le rubidium et le francium étant les plus réactifs de tous les métaux.

Chaque atome est beaucoup plus stable (c'est-à-dire moins énergétique) avec une coquille de valence complète. Ceci peut être réalisé de deux manières: un atome peut soit partager des électrons avec des atomes voisins (un une liaison covalente), ou il peut retirer des électrons d'autres atomes (un liaison ionique). Une autre forme de liaison ionique implique qu'un atome donne certains de ses électrons à un autre atome; cela fonctionne également car il peut se retrouver avec une valence complète en abandonnant toute sa coque extérieure. En déplaçant des électrons, les deux atomes deviennent liés. Ceci est connu sous le nom de liaison chimique et sert à construire des atomes en molécules ou en composés ioniques. Il existe cinq principaux types d'obligations:

  • des liaisons ioniques;
  • des liaisons covalentes;
  • coordonner les liaisons covalentes;
  • liaisons hydrogène; et
  • liaisons métalliques.

Histoire

Théories historiques

Démocrite et Leucippe, philosophes grecs au Ve siècle avant notre ère, ont présenté la première théorie des atomes (atomisme). Ils ont soutenu que chaque atome avait une forme différente, comme un caillou, qui régissait les propriétés de l'atome. Dalton et Avogadro ont redécouvert les œuvres de Démocrite et de Leucippe et ont suggéré au XIXe siècle que la matière était composée d'atomes, mais ils ne savaient rien de leur structure. Cette théorie était en conflit avec la théorie de la divisibilité infinie, qui stipule que la matière peut toujours être divisée en parties plus petites.

La controverse s'est installée en 1911 lorsque Perrin a découvert la méta-particule que nous appelons aujourd'hui un atome. Jean Perrin pensait qu'il avait trouvé les "atomos" dont Démocrite parlait et nomma ainsi ses atomes de particules.

Pendant ce temps, les atomes étaient considérés comme le plus petit morceau de matière possible. Cependant, il a été démontré plus tard que les atomes sont constitués de particules subatomiques. Les expériences de Thomson ont découvert l'électron, la première des particules subatomiques à être découverte. Cela a montré que les atomes sont réellement divisibles, et non les "atomos" indivisibles dont Démocrite a parlé. Les travaux sur la radioactivité vers la fin du XIXe siècle ont également fait allusion à la divisibilité des atomes. Les physiciens ont inventé plus tard un nouveau terme pour les unités indivisibles, à savoir les particules élémentaires puisque le mot atome avait déjà été pris et est devenu d'usage courant.

Au début, on pensait que les électrons étaient répartis plus ou moins uniformément dans une mer de charge positive (le modèle du pudding aux prunes). Cependant, une expérience menée quelques années plus tard par Rutherford a démontré que les atomes sont principalement des espaces vides, avec beaucoup de masse concentrée dans un noyau. Dans l'expérience de la feuille d'or, il a tiré des particules alpha (émises par le polonium) à travers une feuille d'or. Il a observé que la plupart des particules passaient directement à travers la feuille sans déflexion (frappant un écran fluorescent de l'autre côté), mais que, de façon surprenante, un petit nombre a rebondi tout de suite (étant venu près d'un noyau). Cela a conduit au modèle planétaire de l'atome, dans lequel les électrons ont orbité autour du noyau comme les planètes en orbite autour du soleil.

Le noyau a été découvert plus tard pour contenir des protons, et une nouvelle expérimentation par Rutherford a révélé que la masse nucléaire de la plupart des atomes dépassait le nombre de protons qu'il possédait; cela le conduit à postuler l'existence de neutrons, dont l'existence sera prouvée en 1932 par James Chadwick.

Plus tard, des expériences de Max Planck et Albert Einstein ont démontré que l'énergie est transférée en quantités minuscules fixes appelées quanta. Cela a conduit Bohr à proposer un modèle mis à jour, dans lequel les électrons ont orbité autour du noyau en cercles fixes. Parce que leur énergie ne pouvait changer que par des quantités fixes, ils ne pouvaient pas se rapprocher ou s'éloigner du noyau en spirales; ils ne pouvaient faire que des sauts quantiques d'un cercle à l'autre.

Etude des atomes

L'étude des atomes a été réalisée par des moyens largement indirects tout au long du XIXe siècle et au début du XXe siècle. Ces dernières années, cependant, de nouvelles techniques ont rendu l'identification et l'étude des atomes plus faciles et plus précises. Le microscope électronique, inventé en 1931, a permis de prendre des photos d'atomes individuels réels. La microscopie à force atomique est une autre technique permettant de visualiser des atomes individuels. Il existe également des méthodes pour identifier les atomes et les composés. L'analyse élémentaire permet l'identification exacte des types et des quantités d'atomes dans une substance.

Rubriques connexes

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 27 avril 2016.

  • Tout sur les atomes Jefferson Lab.
  • Comment fonctionnent les atomes par howstuffworks.

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