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Structure de l'atome et ions

Modèle de l'atome, numéro atomique, répartition électronique en couches (K, L, M), formation des ions

🌍 Application dans la vie courante : La notion d'ion explique de nombreux phénomènes du quotidien : la conductivité électrique de l'eau du robinet (due aux ions dissous), le fonctionnement d'une pile électrique, la formation du calcaire dans les canalisations, ou encore les dosages sanguins réalisés en analyse médicale (ions sodium, potassium, calcium).

Toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes, des entités extrêmement petites (environ $10^{-10}$ m de diamètre) et électriquement neutres.

Un atome est formé d'un noyau central, très petit mais très dense, autour duquel se déplacent des électrons. Le noyau contient deux types de particules : les protons, chargés positivement, et les neutrons, électriquement neutres. Les électrons, eux, portent une charge négative.

Puisque l'atome est neutre, le nombre d'électrons qui gravitent autour du noyau est toujours égal au nombre de protons qu'il contient. Lorsqu'un atome perd ou gagne un ou plusieurs électrons, il devient une entité chargée appelée ion : c'est ce mécanisme, et lui seul, qui est à l'origine de la formation des ions.

📖 Vocabulaire clé

Atome : Entité électriquement neutre, constituant de base de la matière, formée d'un noyau (protons + neutrons) entouré d'électrons en mouvement.

Numéro atomique ( $Z$ ) : Nombre de protons contenus dans le noyau d'un atome. Il caractérise l'élément chimique et, pour un atome neutre, est aussi égal au nombre d'électrons.

Nombre de masse ( $A$ ) : Nombre total de nucléons (protons + neutrons) contenus dans le noyau. Un atome se note

^{A}_{Z}\text{X}

, où X est le symbole chimique de l'élément.

Ion : Espèce chimique chargée électriquement, obtenue lorsqu'un atome (ou un groupe d'atomes) perd ou gagne un ou plusieurs électrons. Un cation (charge positive) résulte d'une perte d'électrons ; un anion (charge négative) résulte d'un gain d'électrons.

Couche électronique : Niveau sur lequel se répartissent les électrons autour du noyau, noté K, L, M en partant du plus proche du noyau. Capacité maximale : 2 électrons sur K, 8 électrons sur L, 8 électrons sur M (dans le cadre étudié au collège).

📋 Déterminer la composition d'un atome ou d'un ion en 3 étapes

1 Lire le numéro atomique $Z$ et le nombre de masse $A$ (donnés dans le tableau périodique ou l'énoncé) : ils donnent directement le nombre de protons ( $Z$ ) et permettent de calculer le nombre de neutrons $N = A - Z$ .
Exemple : pour l'aluminium, $Z=13$ et $A=27$ , donc $N = 27-13 = 14$ neutrons.
2 Répartir les $Z$ électrons sur les couches K, L puis M, en respectant les capacités maximales (2, puis 8, puis 8), en commençant toujours par remplir la couche la plus proche du noyau avant de passer à la suivante.
Exemple : l'aluminium ( $Z=13$ ) a la configuration K(2) L(8) M(3).
3 Pour un ion, ajuster uniquement le nombre d'électrons (jamais le nombre de protons ni de neutrons, qui ne changent pas lors d'une transformation chimique) : un cation $X^{n+}$ a perdu $n$ électrons, un anion $X^{n-}$ en a gagné $n$ .
Exemple : l'ion aluminium $Al^{3+}$ possède $13-3=10$ électrons, soit la configuration K(2) L(8) — une couche externe pleine, comme un gaz noble.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Le chlore est un élément chimique de numéro atomique

Z=17

et de nombre de masse

A=35

.

Détermine la composition de l'atome de chlore (protons, neutrons, électrons), sa répartition électronique, puis explique pourquoi il forme facilement l'ion chlorure

Cl^-

Démarche :

Nombre de protons $=Z=17$ . Nombre d'électrons $=Z=17$ (atome neutre). Nombre de neutrons $=A-Z=35-17=18$ .
Répartition électronique des 17 électrons sur les couches : K(2), L(8), il reste $17-2-8=7$ électrons pour la couche M, soit M(7).
La couche M du chlore contient 7 électrons sur 8 possibles : il lui manque un seul électron pour atteindre une couche externe saturée (8 électrons), configuration très stable.
En gagnant un électron supplémentaire, le chlore atteint la configuration K(2) L(8) M(8) : il forme ainsi l'ion chlorure $Cl^-$ , chargé négativement car il compte alors 18 électrons pour seulement 17 protons.

Réponse : L'atome de chlore compte 17 protons, 18 neutrons et 17 électrons, de configuration K(2) L(8) M(7). Il forme l'ion

Cl^-

(18 électrons) en captant un électron supplémentaire pour saturer sa couche M.

⚗️ Lois et formules clés

Z =

nombre de protons

=

nombre d'électrons (atome neutre)

A = Z + N

, soit

N = A - Z

(nombre de neutrons)

Notation d'un noyau :

^{A}_{Z}\text{X}

Cation

X^{n+}

Z - n

électrons — Anion

X^{n-}

Z + n

électrons

Charge électrique d'un ion :

q = \pm n \times e

, avec

e \approx 1{,}6\times10^{-19}

C (charge élémentaire)

🎨 Illustration

Modèle de l'atome (structure en couches)

Répartition électronique de l'atome de sodium (Z = 11) sur les couches K, L, M

Le noyau de l'atome de sodium contient 11 protons et 12 neutrons. Ses 11 électrons se répartissent sur trois couches : K (2 électrons), L (8 électrons) et M (1 seul électron, très facilement perdu).

1 Le noyau, ici formé de 11 protons et 12 neutrons, concentre à lui seul plus de 99,9 % de la masse de l'atome : les électrons sont environ 2000 fois plus légers qu'un nucléon.
2 Les 11 électrons se répartissent en respectant les capacités maximales des couches : K (2 électrons), L (8 électrons), puis M (1 seul électron, car $11-2-8=1$ ).
3 Cet unique électron externe de la couche M (marqué différemment sur le schéma) est très facilement cédé : en le perdant, le sodium atteint la configuration K(2) L(8), stable car saturée, et devient l'ion $Na^+$ .

Ce qu'il faut lire : Repère d'abord le noyau au centre (disque coloré), puis les couches K, L, M en pointillés du centre vers l'extérieur : compte les électrons (points) présents sur chacune.

Structure en couches de l'atome de sodium (Z = 11) : 2 électrons sur la couche K, 8 sur la couche L, et un seul électron externe sur la couche M — celui que l'atome perd pour former l'ion

Na^+

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Une confusion fréquente consiste à mélanger le numéro atomique $Z$ (nombre de protons) et le nombre de masse $A$ (nombre de nucléons), ou à imaginer qu'un ion se forme en modifiant le noyau.

✅ La suggestion

Attention : seul le nombre d'électrons change lors de la formation d'un ion — les protons et les neutrons du noyau restent strictement les mêmes.

💡 À retenir

Un atome est électriquement neutre : il possède toujours autant de protons (charge $+$ ) que d'électrons (charge $-$ ).
Le numéro atomique $Z$ (nombre de protons) identifie l'élément chimique ; le nombre de masse $A$ (nombre de nucléons) permet de calculer le nombre de neutrons $N=A-Z$ .
Les électrons se répartissent sur des couches K, L, M de capacités maximales 2, 8 et 8, en commençant toujours par la couche la plus proche du noyau.
Un ion se forme uniquement par perte ou gain d'électrons : le noyau (protons et neutrons) n'est jamais modifié lors de cette transformation.

🌍 Application dans la vie courante

Où ce phénomène intervient-il ?
La notion d'ion explique de nombreux phénomènes du quotidien : la conductivité électrique de l'eau du robinet (due aux ions dissous), le fonctionnement d'une pile électrique, la formation du calcaire dans les canalisations, ou encore les dosages sanguins réalisés en analyse médicale (ions sodium, potassium, calcium).

Mots-clés associés : AtomeProtonNeutronÉlectronIonNuméro atomique

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