Voyage au cœur de la matière : atomes, ions et tableau périodique

Prends une pincée de sel de cuisine. Ces petits grains blancs sont faits de deux éléments qui, séparément, sont redoutables : le sodium, un métal mou qui s'enflamme au contact de l'eau, et le chlore, un gaz jaune-vert toxique. Assemblés, ils donnent un condiment indispensable. Pour comprendre ce tour de magie, il faut descendre à l'échelle de l'atome, cent millions de fois plus petit qu'un millimètre.

1. L'atome : un noyau minuscule et un nuage d'électrons

Un atome est constitué d'un noyau central et d'électrons qui gravitent autour. Le noyau contient deux sortes de particules : les protons, chargés positivement, et les neutrons, sans charge. Les électrons, eux, portent une charge négative.

Ce qui rend l'image vertigineuse, c'est l'échelle. Un atome mesure environ 10⁻¹⁰ m (un dixième de milliardième de mètre). Son noyau mesure environ 10⁻¹⁵ m, soit 100 000 fois moins. Si le noyau était une bille de 1 cm au centre d'un stade, les électrons tourneraient à un kilomètre de là, et entre les deux : du vide. La matière est essentiellement vide, mais les électrons bougent si vite qu'ils forment une « enveloppe » solide au toucher.

Le noyau concentre presque toute la masse : un proton ou un neutron pèse environ 2 000 fois plus qu'un électron.

2. Le numéro atomique et la neutralité

Chaque élément chimique est défini par son nombre de protons, appelé numéro atomique et noté Z. L'hydrogène a Z = 1, le carbone Z = 6, l'oxygène Z = 8, le fer Z = 26. Changer le nombre de protons, c'est changer d'élément.

Un atome est toujours électriquement neutre : il a autant d'électrons que de protons. Les charges positives et négatives se compensent exactement.

Exemple travaillé : l'atome de carbone 12. Son noyau contient 6 protons et 6 neutrons (6 + 6 = 12 nucléons, d'où son nom). Comme il est neutre, il possède 6 électrons. L'oxygène 16 : 8 protons, 8 neutrons, 8 électrons.

3. Les ions : des atomes qui ont perdu ou gagné des électrons

Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Il n'est alors plus neutre : c'est un ion.

• S'il perd des électrons, il devient chargé positivement : c'est un cation. Le sodium (Z = 11) perd un électron et devient l'ion sodium Na⁺, avec 11 protons et seulement 10 électrons.
• S'il gagne des électrons, il devient chargé négativement : c'est un anion. Le chlore (Z = 17) gagne un électron et devient l'ion chlorure Cl⁻, avec 17 protons et 18 électrons.

Le nombre de protons ne change jamais : un ion sodium reste du sodium. Seul le cortège d'électrons est modifié.

Exemple travaillé : l'ion magnésium Mg²⁺ (Z = 12). Le « 2+ » signifie qu'il a perdu 2 électrons : 12 protons, 10 électrons. L'ion sulfure S²⁻ (Z = 16) en a gagné 2 : 16 protons, 18 électrons.

Voilà le secret du sel : le cristal de chlorure de sodium est un empilement régulier d'ions Na⁺ et Cl⁻ qui s'attirent. Quand il se dissout dans l'eau, ces ions se séparent et se promènent librement, ce qui explique que l'eau salée conduise le courant électrique.

4. Lire le tableau périodique

En 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev range les éléments connus par masse croissante et remarque que leurs propriétés se répètent régulièrement, « périodiquement ». Il laisse même des cases vides pour des éléments qu'on n'a pas encore découverts, et il prédit leurs propriétés. Le gallium et le germanium, trouvés quelques années plus tard, lui donnent raison.

Aujourd'hui, le tableau classe les 118 éléments par numéro atomique Z croissant. Chaque ligne (période) correspond au remplissage d'une nouvelle couche d'électrons. Chaque colonne regroupe des éléments aux propriétés chimiques voisines, une famille : la première colonne, les métaux alcalins (lithium, sodium, potassium), très réactifs ; l'avant-dernière, les halogènes (fluor, chlore, brome) ; la dernière, les gaz nobles (hélium, néon, argon), qui ne réagissent presque jamais.

Pourquoi ? Les gaz nobles possèdent une couche externe « complète » et sont très stables. Les autres éléments cherchent à leur ressembler : le sodium a un électron de trop sur sa couche externe, il s'en débarrasse volontiers (Na⁺) ; au chlore il en manque un, il en capte un (Cl⁻). C'est cette tendance qui explique les ions formés et les molécules qui se construisent.

5. Les molécules : des atomes qui partagent

Dans une molécule, les atomes ne s'échangent pas d'électrons, ils les mettent en commun par des liaisons. La molécule d'eau H2O associe deux atomes d'hydrogène à un atome d'oxygène. Le dioxyde de carbone CO2 relie un carbone à deux oxygènes. Le dioxygène O2 est fait de deux atomes identiques.

La formule chimique se lit ainsi : le symbole de l'élément, puis en indice le nombre d'atomes (1 ne s'écrit pas). Le glucose C6H12O6 contient 6 carbones, 12 hydrogènes et 6 oxygènes, soit 24 atomes au total.

À retenir

• Atome = noyau (protons +, neutrons) + électrons (−) ; il est neutre : autant d'électrons que de protons.
• Le numéro atomique Z est le nombre de protons ; il définit l'élément.
• Un ion est un atome qui a perdu (cation, +) ou gagné (anion, −) des électrons ; les protons ne changent pas.
• Le tableau périodique classe les éléments par Z croissant ; une colonne = une famille aux propriétés voisines.
• Une molécule est un assemblage d'atomes liés ; sa formule indique le nombre d'atomes de chaque élément.

★ Pour aller plus loin

Deux atomes d'un même élément peuvent avoir un nombre différent de neutrons : ce sont des isotopes. Le carbone 12 et le carbone 14 ont tous deux 6 protons, mais 6 et 8 neutrons. Le carbone 14 est radioactif et se désintègre lentement : en mesurant ce qu'il en reste dans un os ou un morceau de bois, les archéologues datent les objets vieux de plusieurs milliers d'années.

Le modèle « planétaire » de l'atome, avec des électrons sur des orbites, est une image pratique mais fausse. La physique quantique décrit plutôt des zones où l'électron a des chances de se trouver, des nuages de probabilité aux formes parfois surprenantes.

Les éléments plus lourds que le fer n'ont pas été fabriqués dans les étoiles ordinaires, mais lors d'explosions d'étoiles ou de collisions d'étoiles à neutrons. L'or de ta bague a été forgé dans un cataclysme cosmique bien avant la naissance du Soleil.

Sources pour creuser

• Atomes : une exploration visuelle de tous les éléments connus dans l'univers, Theodore Gray (Place des Victoires) : une photo par élément, fascinant.
• Le Système périodique, Primo Levi (Le Livre de Poche) : des nouvelles autobiographiques, chacune liée à un élément ; pour les bons lecteurs.
• La Chimie pour les Nuls, John T. Moore (First).
• Chaîne YouTube ScienceEtonnante : cherche « d'où viennent les éléments chimiques ».
• Chaîne YouTube Les Bons Profs : « atomes et ions 3e », « tableau périodique ».
• Chaîne YouTube C'est pas sorcier : « La chimie, c'est pas sorcier » et « L'atome ».
• lumni.fr : rubrique Physique-Chimie cycle 4, « structure de l'atome ».
• education.gouv.fr : programme de physique-chimie du cycle 4.