Structure de la matière
Ce que tu vas travailler
Relier la structure des atomes aux liaisons, aux composés et aux mélanges.
Prérequis : Puissances de dix et unités de masse et de volume.
Lis les explications, refais les exemples sur papier, puis cherche les exercices avant d’ouvrir leur correction. La fiche de synthèse, lorsqu’elle est disponible, sert à réviser après le cours.
Une radiographie utilise un isotope. Un bilan sanguin se lit en millimoles par litre. Une intoxication au plomb, c'est un ion qui prend la place d'un autre. Tout part de la structure de l'atome et d'une unité de comptage : la mole.
C'est le chapitre fondation de toute la chimie. Ce qui n'est pas solide ici se paiera dans les cinq chapitres suivants.
Sommaire du cours
1L'atome : protons, neutrons, électrons
Tout est fait d'atomes, et tout atome est bâti sur le même plan. Au centre, un noyau minuscule mais très dense, contenant deux types de particules : les protons, chargés positivement, et les neutrons, neutres. Autour de ce noyau gravitent les électrons, chargés négativement, dans un vaste nuage. L'atome est essentiellement du vide : si le noyau avait la taille d'une bille au centre d'un stade, les électrons tourneraient dans les tribunes.
Deux nombres suffisent à identifier un atome. Le numéro atomique Z est le nombre de protons : c'est lui, et lui seul, qui définit l'élément chimique. Un atome avec Z = 6 est toujours du carbone ; avec Z = 8, toujours de l'oxygène. Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons, c'est-à-dire protons + neutrons. On note un atome sous la forme symbolique avec A en haut et Z en bas.
Un atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons que de protons. C'est pourquoi Z donne aussi le nombre d'électrons d'un atome neutre. Côté masse, protons et neutrons pèsent chacun environ 1 u (unité de masse atomique), tandis que l'électron est presque 2 000 fois plus léger : toute la masse est donc concentrée dans le noyau. Un atome de carbone (Z = 6, A = 12) possède 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons ; sa masse tient quasi entièrement dans ses 12 nucléons.
Ce qui définit l'élément, c'est Z
Ne confonds jamais Z et A. Change A (en ajoutant des neutrons), tu obtiens un isotope du même élément. Change Z (en ajoutant un proton), tu changes carrément d'élément. C'est le nombre de protons, jamais le nombre de neutrons ou d'électrons, qui donne son identité à un atome.
🧩 Un atome de sodium possède Z = 11 et A = 23. Combien a-t-il de protons, de neutrons et d'électrons (atome neutre) ?
Facile🧩 Un noyau contient 17 protons et 18 neutrons. De quel élément s'agit-il, et quel est son nombre de masse A ?
Intermédiaire2Isotopes et masse atomique moyenne
Un même élément peut exister sous plusieurs versions qui diffèrent par leur nombre de neutrons : ce sont les isotopes. Ils ont le même Z (même nombre de protons, donc même élément) mais un A différent. Comme ce sont les électrons qui gouvernent la chimie, et que les isotopes ont le même nombre d'électrons, ils ont les mêmes propriétés chimiques. Ils diffèrent seulement par leur masse et, parfois, par leur stabilité : certains isotopes sont radioactifs.
Prenons le chlore. Dans la nature, on trouve environ 75 % de chlore 35 (18 neutrons) et 25 % de chlore 37 (20 neutrons). Les deux réagissent exactement de la même façon en chimie. Mais quand on pèse un échantillon, on obtient une masse moyenne pondérée par l'abondance de chaque isotope. C'est cette moyenne qui figure dans le tableau périodique.
Pour le chlore : M = (75 × 35 + 25 × 37) / 100 = (2 625 + 925) / 100 = 35,5 u. Voilà pourquoi la masse du chlore n'est pas un nombre entier ! Elle ne correspond à aucun atome réel : c'est une moyenne statistique. Chaque atome pèse soit 35, soit 37 u, mais « en moyenne » 35,5 u.
| Isotope | Protons (Z) | Neutrons | Abondance |
|---|---|---|---|
| --- | --- | --- | --- |
| Chlore 35 | 17 | 18 | ≈ 75 % |
| Chlore 37 | 17 | 20 | ≈ 25 % |
| Carbone 12 | 6 | 6 | ≈ 99 % |
| Carbone 14 | 6 | 8 | traces (radioactif) |
Pour le futur médecin
Les isotopes radioactifs sont des outils diagnostiques majeurs. L'iode 131, capté par la thyroïde comme l'iode ordinaire, permet d'imager ou de traiter cette glande. Le fluor 18, émetteur de positrons, est le traceur du PET-scan (tomographie par émission de positrons) : couplé à du glucose, il se concentre dans les cellules très actives comme les tumeurs, qu'il « allume » à l'écran. Le technétium 99m est le traceur le plus utilisé en scintigraphie (os, cœur, reins). Comme un isotope se comporte chimiquement comme l'élément stable, le corps le traite normalement — mais sa radioactivité le rend visible de l'extérieur. C'est toute la médecine nucléaire.
🧩 Le bore existe sous deux isotopes : bore 10 (20 %) et bore 11 (80 %). Calcule sa masse atomique moyenne.
Facile🧩 Le cuivre a une masse atomique de 63,5 u et possède deux isotopes, cuivre 63 et cuivre 65. Quelles sont approximativement leurs abondances ?
Intermédiaire3La mole et le nombre d'Avogadro
Les atomes sont si petits qu'on ne les compte jamais un par un : on les compte par paquets géants, comme on compte les œufs par douzaines. Le paquet du chimiste s'appelle la mole. Une mole, c'est 6,02×10²³ entités (atomes, molécules, ions…). Ce nombre gigantesque, noté N_A, est le nombre d'Avogadro.
L'intérêt de la mole est qu'elle fait le pont entre le monde microscopique (les atomes) et le monde macroscopique (les grammes qu'on pèse). La masse molaire M, en grammes par mole (g/mol), est numériquement égale à la masse atomique lue dans le tableau : une mole de carbone 12 pèse exactement 12 g, une mole d'eau H₂O pèse 18 g (2×1 + 16). On relie alors la masse pesée m, la quantité de matière n et le nombre d'entités N par deux relations fondamentales.
Un exemple concret : combien d'atomes dans 24 g de carbone (M = 12 g/mol) ? D'abord n = m/M = 24/12 = 2 mol. Ensuite N = n × N_A = 2 × 6,02×10²³ = 1,204×10²⁴ atomes. Ces deux formules, enchaînées, résolvent l'immense majorité des calculs de quantité de matière au concours.
Ne saute pas d'étape
Beaucoup d'erreurs viennent d'un raccourci entre m et N. Passe toujours par les moles : d'abord n = m/M, puis N = n × N_A. Vérifie aussi tes unités : M en g/mol, m en g. Un milligramme pris pour un gramme, et le résultat est faux d'un facteur mille.
🧩 Quelle quantité de matière (en moles) représentent 9 g d'eau (M = 18 g/mol) ?
Facile🧩 On dispose de 0,25 mol de glucose C₆H₁₂O₆ (M = 180 g/mol). Quelle masse cela représente-t-il, et combien de molécules ?
Intermédiaire- 1Z (numéro atomique) = nombre de protons. Il définit l'élément, il ne change jamais.
- 2A (nombre de masse) = protons + neutrons. Donc neutrons = A − Z.
- 3Atome neutre : autant d'électrons que de protons. Ion : on compte la charge en moins ou en plus.
4Le modèle en couches et la configuration électronique
Les électrons ne se placent pas n'importe comment autour du noyau : ils se répartissent sur des couches successives, de plus en plus éloignées. On les nomme K (la plus proche du noyau), L, M, N… Chaque couche a une capacité maximale : la couche K contient au plus 2 électrons, la couche L au plus 8, la couche M au plus 8 (au niveau du concours). On remplit de l'intérieur vers l'extérieur : on ne commence L que lorsque K est pleine.
Cette organisation s'appelle la configuration électronique. Pour l'établir, on prend le nombre d'électrons (= Z pour un atome neutre) et on remplit les couches dans l'ordre. Exemple avec le sodium (Z = 11) : 2 électrons sur K, 8 sur L, il en reste 1 pour M. On écrit (K)2 (L)8 (M)1. Pour l'oxygène (Z = 8) : 2 sur K, 6 sur L, soit (K)2 (L)6.
🔧 Construis un atome : le nombre de protons (Z) fixe l'élément, les couches se remplissent.
C — masse A = Z + N = 12
couches : 2 · 4 → 4 e⁻ de valence
Atome neutre : 6 protons = 6 électrons. Changer N donne un isotope, pas un autre élément.
Les électrons de la dernière couche occupée portent un nom capital : ce sont les électrons de valence. Ce sont eux, et eux seuls, qui participent aux liaisons chimiques et déterminent la réactivité de l'atome. Le sodium a 1 électron de valence (celui de la couche M), l'oxygène en a 6 (ceux de la couche L). Deux atomes ayant le même nombre d'électrons de valence auront des comportements chimiques semblables — c'est tout le principe du tableau périodique.
| Élément | Z | Configuration | Électrons de valence |
|---|---|---|---|
| --- | --- | --- | --- |
| Hydrogène | 1 | (K)1 | 1 |
| Carbone | 6 | (K)2 (L)4 | 4 |
| Oxygène | 8 | (K)2 (L)6 | 6 |
| Néon | 10 | (K)2 (L)8 | 8 (couche pleine) |
| Sodium | 11 | (K)2 (L)8 (M)1 | 1 |
| Chlore | 17 | (K)2 (L)8 (M)7 | 7 |
La couche externe gouverne tout
Retiens cette hiérarchie : le noyau donne l'identité (Z), mais c'est la couche externe (les électrons de valence) qui décide de la chimie. Deux atomes du même groupe du tableau ont le même nombre d'électrons de valence, donc réagissent de façon analogue. Le sodium et le potassium, tous deux à 1 électron de valence, sont deux métaux très réactifs cousins.
🧩 Établis la configuration électronique de l'aluminium (Z = 13) et donne son nombre d'électrons de valence.
Facile🧩 Un atome neutre a la configuration (K)2 (L)8 (M)7. De quel élément s'agit-il, et pourquoi est-il très réactif ?
Intermédiaire5Le tableau périodique
Mendeleïev a rangé les éléments non pas au hasard, mais selon leur structure électronique, et le résultat est le tableau périodique. Sa lecture est logique. Les périodes sont les lignes horizontales : le numéro de la période correspond au nombre de couches occupées. Un élément de la 3ᵉ période a des électrons sur trois couches (K, L, M). Les groupes (ou familles) sont les colonnes verticales : les éléments d'un même groupe ont le même nombre d'électrons de valence, donc des propriétés chimiques voisines.
C'est pourquoi le tableau est dit « périodique » : en le parcourant, les propriétés reviennent régulièrement. Chaque fois qu'on remplit une couche et qu'on entame la suivante, on change de ligne et on retombe sur un comportement analogue au début de la ligne précédente. Quelques familles sont incontournables au concours.
| Famille | Position | Électrons de valence | Caractère |
|---|---|---|---|
| --- | --- | --- | --- |
| Alcalins | 1ʳᵉ colonne | 1 | Métaux très réactifs, forment des ions + (Na⁺, K⁺) |
| Halogènes | avant-dernière colonne | 7 | Très réactifs, forment des ions − (Cl⁻, F⁻) |
| Gaz nobles | dernière colonne | 8 (2 pour l'hélium) | Inertes, couche externe pleine |
Les alcalins (lithium, sodium, potassium…) n'ont qu'un électron de valence : ils le cèdent volontiers pour devenir des cations +. Les halogènes (fluor, chlore, brome, iode) ont 7 électrons de valence : il ne leur en manque qu'un, qu'ils captent avidement pour devenir des anions −. Les gaz nobles (hélium, néon, argon) ont leur couche externe pleine (8 électrons, ou 2 pour l'hélium) : ils sont chimiquement inertes, ne réagissant quasiment avec rien. Cette stabilité est le modèle que tous les autres atomes cherchent à imiter.
Lire le tableau comme une carte
Une colonne = une famille = un même nombre d'électrons de valence = un même comportement. Une ligne = une période = un même nombre de couches. Devant un élément inconnu, repère sa colonne (que va-t-il faire ?) et sa ligne (combien de couches ?) : tu déduis presque tout de sa position.
🧩 Le potassium est dans la 1ʳᵉ colonne et la 4ᵉ période. Combien a-t-il d'électrons de valence et de couches occupées ? Quel ion va-t-il probablement former ?
Facile🧩 Deux éléments A et B appartiennent respectivement à la 1ʳᵉ colonne et à l'avant-dernière colonne du tableau. Quel type de composé forment-ils ensemble, et pourquoi ?
ConcoursVu au concoursLes isotopes
Même Z, des A différents : même élément, mêmes propriétés chimiques, masses différentes. La masse atomique du tableau est une moyenne pondérée par l'abondance — c'est ce calcul qu'on te demande.
6La règle de l'octet et la formation des ions
Pourquoi les atomes réagissent-ils ? Parce qu'ils cherchent la stabilité des gaz nobles. La règle de l'octet énonce qu'un atome est stable lorsqu'il possède 8 électrons sur sa couche externe (ou 2 pour les tout premiers éléments, qui visent la configuration de l'hélium). Pour y parvenir, un atome va gagner, perdre ou partager des électrons.
Le choix le plus économique dépend du nombre d'électrons de valence. Un atome qui n'en a que 1, 2 ou 3 (comme les métaux) a intérêt à les perdre : il découvre alors la couche pleine du dessous. En perdant des électrons (négatifs), il devient positif : c'est un cation. Le sodium (1 électron de valence) perd cet électron et devient Na⁺, avec la configuration du néon. À l'inverse, un atome à 6 ou 7 électrons de valence a intérêt à en gagner pour atteindre 8 : il devient alors négatif, c'est un anion. Le chlore (7 électrons de valence) capte un électron et devient Cl⁻.
Attention : un ion n'est pas un atome dont on a changé le noyau. Na⁺ a toujours 11 protons — c'est toujours du sodium ! Il a simplement 10 électrons au lieu de 11. La charge d'un ion se calcule par la différence : charge = protons − électrons. Na⁺ : 11 − 10 = +1. Cl⁻ : 17 − 18 = −1. O²⁻ : 8 − 10 = −2.
Ion ≠ isotope
Ne confonds jamais ces deux notions ! Un isotope change le nombre de neutrons (donc A) : même chimie, masse différente. Un ion change le nombre d'électrons (donc la charge) : même noyau, charge différente. Le nombre de protons Z, lui, ne bouge dans aucun des deux cas — sinon on changerait d'élément.
🧩 Combien d'électrons possède l'ion magnésium Mg²⁺, sachant que le magnésium a Z = 12 ?
Facile🧩 L'oxygène (Z = 8) forme l'ion O²⁻. Explique pourquoi il capte exactement 2 électrons et donne le nombre d'électrons de l'ion.
Intermédiaire- 1Compte les électrons de la dernière couche (colonne du tableau).
- 2Moins de 4 → l'atome les cède : ion positif (Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺).
- 3Plus de 4 → il en capte pour atteindre 8 : ion négatif (Cl⁻, O²⁻, N³⁻).
7Électronégativité et tendances périodiques
Quand deux atomes partagent des électrons dans une liaison, ils ne les attirent pas toujours à égalité. L'électronégativité mesure la tendance d'un atome à attirer vers lui les électrons d'une liaison. Plus un atome est électronégatif, plus il « tire la couverture » électronique à lui. C'est une grandeur relative, sans unité, qui explique la polarité des molécules et la nature des liaisons.
L'électronégativité suit deux tendances claires dans le tableau. Elle augmente de gauche à droite sur une période (les non-métaux de droite, proches de l'octet, attirent fort) et augmente de bas en haut dans une colonne (plus la couche externe est proche du noyau, plus l'attraction est forte). Résultat : l'atome le plus électronégatif est le fluor, en haut à droite (hors gaz nobles). Les moins électronégatifs sont les alcalins, en bas à gauche.
| Tendance | Sens | Pourquoi |
|---|---|---|
| --- | --- | --- |
| Sur une période (→) | augmente vers la droite | plus de protons attirent les électrons de valence |
| Sur une colonne (↑) | augmente vers le haut | couche externe plus proche du noyau |
| Le plus électronégatif | Fluor (haut, droite) | petit atome, presque saturé |
| Rayon atomique | tendance **inverse** | augmente vers la gauche et vers le bas |
La différence d'électronégativité entre deux atomes prédit le type de liaison. Si elle est grande (métal + non-métal, comme Na et Cl), le plus électronégatif arrache carrément l'électron : liaison ionique. Si elle est faible ou nulle (deux non-métaux semblables), les électrons sont partagés : liaison covalente. Entre les deux, la liaison est covalente polarisée : les électrons penchent vers l'atome le plus électronégatif, créant des charges partielles, comme dans l'eau où l'oxygène tire les électrons loin des hydrogènes.
Pour le futur médecin
Ton corps a besoin, en quantités infimes mais vitales, d'une poignée d'atomes appelés oligo-éléments : fer, zinc, cuivre, sélénium, iode. Le fer est au cœur de l'hémoglobine, la protéine qui transporte l'oxygène dans le sang ; une carence provoque l'anémie. L'iode est indispensable à la synthèse des hormones thyroïdiennes ; sa carence cause le goitre. Le zinc intervient dans des centaines d'enzymes. Ces éléments agissent grâce à leur structure électronique : leurs électrons de valence forment des liaisons précises avec les protéines. Comprendre la configuration électronique et l'électronégativité, c'est comprendre pourquoi ces atomes sont irremplaçables dans ta biochimie.
🧩 Entre le fluor et l'iode, tous deux halogènes, lequel est le plus électronégatif ? Justifie.
Facile🧩 On compare trois liaisons : Na–Cl, H–Cl et Cl–Cl. Classe-les de la plus ionique à la plus covalente pure, en te fondant sur la différence d'électronégativité.
Concours8Les erreurs fréquentes
Les erreurs qui coûtent des points
Confondre Z et A
Z (protons) définit l'élément ; A (protons + neutrons) définit l'isotope. Neutrons = A − Z.
Confondre isotope et ion
l'isotope change les neutrons (masse) ; l'ion change les électrons (charge). Z ne bouge jamais.
Sauter l'étape des moles
pour passer de la masse au nombre d'atomes, calcule d'abord n = m/M, puis N = n×N_A.
Oublier les unités de M
la masse molaire est en g/mol et la masse en g ; un mg pris pour un g fausse tout d'un facteur 1000.
Mal remplir les couches
K se remplit avant L, L avant M ; capacités 2, 8, 8. On ne saute pas une couche.
Croire qu'un ion change d'élément
Na⁺ reste du sodium (11 protons) : seul le nombre d'électrons a changé.
Inverser le sens de l'électronégativité
elle augmente vers la droite et vers le haut ; le fluor est le plus électronégatif.
Points clés à retenir
- L'atome = noyau (protons + et neutrons) entouré d'électrons − ; Z = protons (définit l'élément), A = protons + neutrons.
- Les isotopes ont même Z mais A différent : même chimie, masse différente ; la masse atomique est une moyenne pondérée.
- La mole contient N_A = 6,02×10²³ entités ; n = m/M puis N = n×N_A relient masse, moles et nombre d'atomes.
- Les électrons se rangent par couches K (2), L (8), M (8) ; les électrons de valence (couche externe) gouvernent la chimie.
- Le tableau périodique : les périodes (lignes) = nombre de couches, les groupes (colonnes) = nombre d'électrons de valence.
- Règle de l'octet : les atomes gagnent, perdent ou partagent des électrons pour avoir 8 électrons de valence.
- Ions : perdre des électrons → cation (+), en gagner → anion (−) ; le noyau et Z restent inchangés.
- L'électronégativité augmente vers la droite et vers le haut du tableau ; le fluor est le plus électronégatif.
Le chapitre en 8 points
01 / 08
Atome
Un noyau de protons (+) et neutrons entouré d'électrons (−) ; Z = protons, A = protons + neutrons.
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Liaisons chimiques et géométrie moléculaire