Constitution de la matière/De l'atome aux édifices chimiques

Les isotopes

Définition

Les isotopes sont des atomes qui ont le même numéro atomique Z, mais un nombre de masse A différent.
Ils ont le même nombre de protons et d'électrons mais un nombre de neutrons différent.

Un atome peut avoir plusieurs isotopes.

Exemple

Le carbone $_{6}^{A}\mathrm {C}$ (« l'élément carbone ») a plusieurs isotopes dont le plus connu est le $_{6}^{14}\mathrm {C}$ appelé « carbone 14 », le plus commun sur terre est le $_{6}^{12}\mathrm {C}$ appelé « carbone 12».

La proportion d'isotopes de chaque atome est connue. On peut voir la proportion de quelques isotopes dans les tableaux ci-dessous.

Isotopes du carbone C	Pourcentage
$_{6}^{12}\mathrm {C}$	98,90 %
$_{6}^{13}\mathrm {C}$	1,10 %
$_{6}^{14}\mathrm {C}$	traces

Isotopes de l'oxygène O	Pourcentage
$_{8}^{16}\mathrm {O}$	99,762 %
$_{8}^{17}\mathrm {O}$	0,038 %
$_{8}^{18}\mathrm {O}$	0,200 %

Isotopes du cuivre Cu	Pourcentage
$_{29}^{63}\mathrm {C} u$	69,17 %
$_{29}^{65}\mathrm {C} u$	30,83 %

source : www.periodni.com

Ions monoatomiques

Définition

Un ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.

L'atome et l'ion appartenant au même élément chimique (par exemple l'élément oxygène) ont le même noyau ; seul le nombre d'électrons est modifié. Leurs numéros atomiques Z sont identiques, donc leurs nombres de protons aussi. Leurs charges sont différentes (l'atome est neutre, l'ion est chargé positivement ou négativement).

Charge électrique d'un ion

Le nombre de protons et d'électrons n'étant pas les même, un ion n’est pas électriquement neutre.

Principe

Les ions portent une charge électrique que l’on indique en haut à droite du symbole, cela indique le nombre d'électrons gagnés ou perdus (sachant qu'un électron est négatif).

Un ion positif est un cation, il a perdu des électrons.
Un ion négatif est un anion, il a gagné des électrons.

Quelques ions à connaître :

Anions		Cations
Oxyde	$\mathrm {O} ^{2-}$	Sodium	$\mathrm {N} a^{+}$
Fluorure	$\mathrm {F} ^{-}$	Aluminium III	$\mathrm {A} l^{3+}$
Sulfure	$\mathrm {S} ^{2-}$	Fer II	$\mathrm {F} e^{2+}$
Chlorure	$\mathrm {C} l^{-}$	Fer III	$\mathrm {F} e^{3+}$
Bromure	$\mathrm {B} r^{-}$	Cuivre II	$\mathrm {C} u^{2+}$
		Zinc II	$\mathrm {Z} n^{2+}$
		Argent	$\mathrm {A} g^{+}$

Calcul de la charge

Définition

La charge électrique d'un ion est égale à la somme des charges des particules qui le composent (protons et électrons)

Calcul de la charge d'un atome :

Soit un atome $_{Z}X$ , sa charge est égale à :

Q_atome = Q_protons + Q_électrons

or Q_protons = Z × e
et Q_électrons = Z × (-e)

d'où Q_atome = Z × e + Z × -e = Z × (e - e) = 0 (l'atome est électriquement neutre)

Calcul de la charge pour des ions :

Soit un ion $_{Z}X^{+}$ , l'atome a perdu un électron Q_ion = Q_protons + Q_électrons or Q_protons = Z × e et Q_électrons = (Z - 1) × (-e) d'où Q_ion = Z × e + (Z - 1) × (-e) = +e	Soit un ion $_{Z}X^{2-}$ , l'atome a gagné deux électrons Q_ion = Q_protons + Q_électrons or Q_protons = Z × e et Q_électrons = (Z + 2) × (-e) d'où Q_ion = Z × e + (Z + 2) × (-e) = -2e

Composés ioniques

Définition

Les composés ioniques sont des corps solides constitués d'ions positifs (cations) et d'ions négatifs (anions).

Les composés ioniques sont électriquement neutres car la charge globale portée par les anions compense la charge globale portée par les cations.

Exemple

Le chlorure de fer III : contient les ions chlorure $\mathrm {C} l^{-}$ et les ions fer III $\mathrm {F} e^{3+}$

Pour que le composé soit électriquement neutre, il faut 3 ions chlorures pour 1 ion fer III (3 × (-1) + 3 = 0).
La formule du chlorure de fer III est donc $\mathrm {F} eCl_{3}$

L'élément chimique

Définition

On donne le nom d'élément chimique à l’ensemble des entités chimiques (atomes, ions, isotopes, etc.) ayant le même numéro atomique Z.

Exemple

Élément cuivre (Z=29) :

$_{29}^{63}\mathrm {C} u$ et $_{29}^{65}\mathrm {C} u$ : isotopes/atomes

$_{29}^{63}\mathrm {C} u^{2+}$ et $_{29}^{65}\mathrm {C} u^{2+}$ : ions cuivre II

$_{29}^{63}\mathrm {C} u^{+}$ et $_{29}^{65}\mathrm {C} u^{+}$ : ions cuivre I

L'élément cuivre correspond à ces six entités.

Corps simples et corps composés

Définition

Un corps simple est un corps qui contient qu'un seul élément chimique.
Un corps composé est un corps qui contient plusieurs éléments chimiques.

Exemples :

Corps simples		Corps composés
Dioxygène	$\mathrm {O} _{2}$	Acide chlorhydrique	$\mathrm {H} Cl$
Cuivre	$\mathrm {C} u$	Oxyde de cuivre (solide)	$\mathrm {C} uO_{(s)}$
ions Fer II	$\mathrm {F} e^{2+}$	Dioxyde de carbone	$\mathrm {C} O_{2}$

Loi de conservation des éléments chimiques

Loi de conservation des éléments chimiques au cours d'une transformation chimique

Une transformation chimique conserve les éléments chimiques.

Aucun élément chimique (nouveau) n'apparaît ou disparaît entre le début et la fin de la transformation.

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