De quoi est composé le noyau atomique
Au centre de chaque atome se trouve un noyau. Il comprend deux types de particules :
- Protons — porteurs d'une charge positive.
- Neutrons — dépourvus de charge.
La seule exception à cette règle est l'atome de l'élément le plus léger : l'hydrogène. Son noyau contient exactement un proton et il est dépourvu de neutrons. Tous les autres noyaux multichargés contiennent impérativement ces deux types de particules. La stabilité du noyau dépend quant à elle d'un certain rapport entre le nombre de protons et de neutrons.
Charge du noyau et élément chimique
Le nombre de protons détermine la charge du noyau ($Z$). C'est cette grandeur qui constitue le critère principal de classification des atomes. Un élément chimique est un ensemble d'atomes ayant la même charge nucléaire.
Puisque l'atome dans son ensemble est une particule électriquement neutre, il doit y avoir autant d'électrons chargés négativement en orbite autour du noyau qu'il y a de protons à l'intérieur de celui-ci.
Dans le tableau périodique de Mendeleïev, le numéro atomique d'un élément correspond strictement à la charge de son noyau. La formulation moderne de la loi périodique énonce que les propriétés des éléments et des substances qu'ils forment dépendent périodiquement précisément de la charge de leurs noyaux atomiques. La masse des atomes augmente avec leur charge, mais ce n'est pas le facteur principal qui détermine leurs propriétés.
Nombre de masse
Les masses d'un proton isolat et d'un neutron sont presque égales et valent environ $1$ unité de masse atomique (u). Les électrons sont quant à eux si légers que leur contribution à la masse totale de l'atome est négligeable. Par conséquent, la masse de l'atome entier est toujours proche d'une valeur entière.
Le nombre de masse ($A$) est le nombre total de protons ($Z$) et de neutrons ($N$) dans le noyau. Il se calcule selon la formule : $A = Z + N$.
Nuclides et isotopes
Les atomes d'un même élément (ayant le même $Z$) peuvent contenir un nombre différent de neutrons et, par conséquent, avoir des masses différentes.
- Un nuclide est un type d'atome caractérisé par une valeur bien définie de la charge nucléaire et du nombre de masse.
- Les isotopes sont des nuclides d'un même élément chimique. Ils ont la même charge, mais des masses différentes.
Pour désigner les nuclides, on utilise le symbole de l'élément chimique. La charge nucléaire ($Z$) est inscrite en bas à gauche, et le nombre de masse ($A$) en haut à gauche. Par exemple, les isotopes du silicium sont notés ${}^{28}_{14}\text{Si}$, ${}^{29}_{14}\text{Si}$ et ${}^{30}_{14}\text{Si}$.
Particularités des masses atomiques dans le tableau de Mendeleïev
Dans la nature, la plupart des éléments chimiques existent sous forme d'un mélange de plusieurs isotopes. Seuls 19 éléments sont représentés par un seul et unique nuclide ; ce sont précisément leurs masses atomiques figurant dans les ouvrages de référence qui sont les plus proches de nombres entiers.
Pour les autres éléments, la masse atomique indiquée dans le tableau périodique est un nombre décimal. Il s'agit d'une moyenne arithmétique qui tient compte de la masse de chaque isotope naturel et de son abondance relative. Par exemple, pour le chlorum, on utilise dans les calculs la valeur $35{,}5$, car le chlore naturel est un mélange d'isotopes lourds et légers (${}^{35}_{17}\text{Cl}$ et ${}^{37}_{17}\text{Cl}$).
Dans les réactions chimiques, les différents isotopes d'un même élément se comportent de manière pratiquement identique. Les isotopes de l'hydrogène font exception : en raison de la différence colossale de masse (du simple au double ou au triple), ils disposent de leurs propres symboles et dénominations.
En bref : réponses aux questions sur le sujet
Quels isotopes de l'hydrogène possèdent leurs propres noms et symboles chimiques ?
En raison de la différence importante de masse, des noms et des symboles spécifiques ont été attribués aux isotopes de l'hydrogène. Il existe trois isotopes principaux de l'hydrogène, qui diffèrent par le nombre de neutrons dans leur noyau :
- Le protium (${}^1_1 ext{H}$) — l'hydrogène ordinaire, dont le noyau est constitué d'un proton sans neutrons ;
- Le deutérium (${}^2_1 ext{H}$ ou $ ext{D}$) — l'hydrogène lourd, dont le noyau contient un proton et un neutron ;
- Le tritium (${}^3_1 ext{H}$ ou $ ext{T}$) — l'hydrogène radioactif, dont le noyau est composé d'un proton et de deux neutrons.
Quelles particules élémentaires regroupe-t-on sous le terme générique de « nucléons » ?
Le terme générique de « nucléons » désigne les composants du noyau atomique, à savoir les protons et les neutrons. Des recherches ultérieures ont conduit à la découverte de ces particules constituant le noyau de l'atome.
Quelles forces assurent la stabilité du noyau et empêchent les protons de se repousser mutuellement par force électrostatique ?
La stabilité des noyaux atomiques est assurée par une attraction particulière entre protons et neutrons à de très courtes distances, connue sous le nom d'interaction forte. Les forces nucléaires ainsi générées dépassent de 200 fois la force de répulsion électrique entre protons de même charge.
Pour retenir la relation du nombre de masse : A = Z + N.
Questions des cours et des examens
Quel est le signe de la charge du noyau atomique ?
La charge du noyau est toujours positive, car il renferme des protons chargés positivement et des neutrons neutres.
Comment déterminer le nombre d'électrons dans un atome ?
Il faut consulter le numéro atomique de l'élément dans le tableau de Mendeleïev. Celui-ci est égal à la charge du noyau, qui à son tour est égale au nombre d'électrons dans l'atome neutre.
Pourquoi la masse atomique dans le tableau de Mendeleïev est-elle un nombre décimal ?
Parce que la plupart des éléments dans la nature sont un mélange d'isotopes de masses différentes. Le tableau indique une valeur moyenne tenant compte de l'abondance de chaque isotope.
À étudier également sur le sujet
- Dépendance des propriétés des éléments vis-à-vis de la charge nucléaire (Loi périodique)
- Raisons pour lesquelles Mendeleïev a initialement classé les éléments par masse
- Conditions de stabilité des noyaux multichargés
- Dénominations et spécificités des isotopes de l'hydrogène
- Algorithme de calcul du nombre de neutrons dans le noyau d'un isotope donné
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