Thème 1 : Constitution et transformations de la matière | Physique-Chimie | Seconde générale et technologique
Dernière mise à jour : 22 juin 2026, 17:00
Objectifs du chapitre :
Décrire la constitution d'un atome (noyau, protons, neutrons, électrons) et sa neutralité ;
Utiliser la notation \(^{A}_{Z}X\) : numéro atomique \(Z\) et nombre de masse \(A\) ;
Définir un élément chimique et reconnaître des isotopes ;
Établir la configuration électronique d'un atome (couches K, L, M) ;
Prévoir la stabilité d'un atome à l'aide des règles du duet et de l'octet.
Situation d'introduction
Tout ce qui nous entoure est fait d'une centaine d'« éléments » différents, assemblés à partir de briques minuscules : les atomes. Comment est construit un atome ? Pourquoi certains gaz (hélium, néon) ne réagissent-ils presque jamais, alors que d'autres atomes forment facilement des ions ou des molécules ? La réponse tient dans la répartition de leurs électrons.
1. Constitution de l'atome
Définition
Un atome est constitué d'un noyau central (protons chargés \(+\), neutrons neutres) entouré d'électrons chargés \(-\). L'atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons.
Propriété — un atome essentiellement vide
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome, mais il concentre la quasi-totalité de la masse (un proton et un neutron sont environ 2 000 fois plus lourds qu'un électron). L'atome est donc principalement constitué de vide.
Notation \(^{A}_{Z}X\)
On note un noyau \(^{A}_{Z}X\), où \(X\) est le symbole de l'élément :
\(Z\) = numéro atomique = nombre de protons ;
\(A\) = nombre de masse = nombre de protons + neutrons (= nombre de nucléons).
On en déduit : nombre de neutrons \(=A-Z\) ; nombre d'électrons \(=Z\) (atome neutre).
Méthode — dénombrer les particules d'un atome
Lire \(Z\) (en bas) : c'est le nombre de protons, et aussi le nombre d'électrons.
Lire \(A\) (en haut) : c'est le nombre de nucléons.
Calculer le nombre de neutrons par la différence : \(N=A-Z\).
Exemple travaillé. Le sodium \(^{23}_{11}Na\) : \(Z=11\) donc 11 protons et 11 électrons ; \(A=23\) donc \(23-11=12\) neutrons.
Mini-exercice 1. Pour l'atome d'oxygène \(^{16}_{8}O\), donne le nombre de protons, de neutrons et d'électrons.
\(Z=8\) → 8 protons et 8 électrons ; neutrons \(=A-Z=16-8=8\).
2. Élément chimique et isotopes
Définition
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique \(Z\) (le nombre de protons). Deux atomes de même \(Z\) sont le même élément, quel que soit leur nombre de neutrons.
Isotopes
Des isotopes sont des atomes d'un même élément (même \(Z\)) mais de nombres de masse \(A\) différents (ils ont des nombres de neutrons différents).
Exemple travaillé. Le carbone 12 \(^{12}_{6}C\) et le carbone 14 \(^{14}_{6}C\) ont le même \(Z=6\) : ce sont deux isotopes du carbone. Le premier a \(12-6=6\) neutrons, le second \(14-6=8\) neutrons.
Mini-exercice 2. Les atomes \(^{35}_{17}Cl\) et \(^{37}_{17}Cl\) sont-ils le même élément ? Sont-ils des isotopes ?
Même \(Z=17\) : c'est le même élément, le chlore. Les \(A\) diffèrent (35 et 37, soit 18 et 20 neutrons) : ce sont bien des isotopes.
3. Configuration électronique
Définition
La configuration électronique indique comment les \(Z\) électrons d'un atome se répartissent sur les couches électroniques, notées K, L, M.
Règle de remplissage (couches K, L, M)
Chaque couche peut accueillir un nombre maximal d'électrons :
couche K : 2 électrons au maximum ;
couche L : 8 électrons au maximum ;
couche M : 8 électrons au maximum (au programme de seconde).
On remplit d'abord K, puis L, puis M. La couche la plus extérieure occupée est la couche externe.
Méthode — écrire une configuration électronique
Déterminer le nombre d'électrons : il est égal à \(Z\) (atome neutre).
Remplir la couche K (jusqu'à 2), puis L (jusqu'à 8), puis M (jusqu'à 8).
Écrire le résultat sous la forme \((K)^a(L)^b(M)^c\), en vérifiant que \(a+b+c=Z\).
Exemple travaillé. Le sodium \(Z=11\) : on place 2 électrons sur K, 8 sur L, il en reste \(11-10=1\) pour M, soit \((K)^2(L)^8(M)^1\). Vérification : \(2+8+1=11\). ✓
De même : carbone \(Z=6\) → \((K)^2(L)^4\) ; oxygène \(Z=8\) → \((K)^2(L)^6\).
Mini-exercice 3. Donne la configuration électronique du magnésium (\(Z=12\)) et indique sa couche externe.
\((K)^2(L)^8(M)^2\) (vérif. \(2+8+2=12\)). Couche externe : M, avec 2 électrons.
4. Stabilité chimique
Règles du duet et de l'octet
Un atome est stable (peu réactif) quand sa couche externe est saturée comme celle d'un gaz noble :
règle du duet : 2 électrons sur la couche externe (cas des petits atomes proches de l'hélium) ;
règle de l'octet : 8 électrons sur la couche externe.
Pour gagner en stabilité, les atomes gagnent, perdent ou partagent des électrons (ce qui formera les ions et les molécules du chapitre suivant).
Méthode — prévoir si un atome est stable ou réactif
Écrire la configuration électronique de l'atome.
Compter les électrons de la couche externe.
Si elle contient 2 (duet) ou 8 (octet) électrons → atome stable ; sinon → atome réactif, il cherchera à gagner ou perdre des électrons.
Exemple travaillé. Le fluor \(Z=9\) : \((K)^2(L)^7\). Sa couche externe L compte 7 électrons : il lui manque 1 électron pour atteindre l'octet. Le fluor est donc réactif : il aura tendance à gagner 1 électron.
Mini-exercice 4. Le néon a la configuration \((K)^2(L)^8\). Pourquoi est-il stable ?
Sa couche externe (L) compte 8 électrons : c'est l'octet. Le néon est un gaz noble, déjà stable, donc très peu réactif.
5. Applications
Autour de nous.
Datation : les isotopes radioactifs comme le carbone 14 servent à dater des fossiles et des objets archéologiques.
Médecine : certains isotopes (iode, technétium) sont utilisés en imagerie médicale.
Gaz nobles : l'hélium (stable, ininflammable) gonfle les ballons ; le néon et l'argon, peu réactifs, remplissent enseignes lumineuses et ampoules.
Astronomie : la composition des étoiles est déduite des éléments chimiques qu'elles contiennent.
Erreurs fréquentes
❌ Confondre \(Z\) et \(A\) → ✅ \(Z\) = nombre de protons ; \(A\) = protons + neutrons.
❌ Calculer le nombre de neutrons par \(A+Z\) → ✅ c'est \(A-Z\).
❌ Remplir L avant K → ✅ on remplit toujours K (2) en premier, puis L, puis M.
❌ Croire que les isotopes sont des éléments différents → ✅ même \(Z\) = même élément.
❌ Penser que tous les atomes suivent l'octet → ✅ les petits atomes proches de l'hélium suivent le duet (2 électrons).
À retenir
Atome = noyau (\(Z\) protons, \(A-Z\) neutrons) + \(Z\) électrons ; il est neutre.
Notation \(^{A}_{Z}X\) : \(Z\) numéro atomique, \(A\) nombre de masse.
Élément = défini par \(Z\) ; isotopes = même \(Z\), \(A\) différents.
Configuration : remplir \((K)^2\), puis \((L)^8\), puis \((M)^8\).
Stabilité : duet (2) ou octet (8) sur la couche externe (comme un gaz noble).