Noyau atomique, atome

Un atome = noyau (petit, dense : $p^+$ et $n^0$) + nuage électronique ($e^-$), essentiellement vide (noyau $\sim 10^5$ fois plus petit que l'atome entier).

Atome neutre : $n(e^-)=n(p^+)=Z$.

$e=1.6\times 10^{-19}\,\mathrm{C}$ ; $\dfrac{m(e^-)}{m(p^+)}\approx 0,0005$ ($e^-$ $\sim2000\times$ plus léger).

1. $n(p^+)=Z$ (toujours, atome ou ion) ;
2. $n(n^0)=A-Z$ (toujours ; le noyau ne change jamais en formant un ion) ;
3. $n(e^-)=Z-q$ ($q$ signé : cation $q>0\Rightarrow$ moins d'$e^-$ ; anion $q<0\Rightarrow$ plus d'$e^-$).

• ne pas confondre $A$ (tous les nucléons) et $Z$ (protons seulement) : $A\ge Z$ toujours ;
• le noyau ne contient jamais d'électron : « combien d'$e^-$ dans le noyau ? » $\to$ réponse 0, quel que soit l'ion ;
• former un ion ne touche ni $p^+$ ni $n^0$ : seul $n(e^-)$ change.

On donne $A$, $Z$ (ou l'élément) et une charge $\Rightarrow$ appliquer dans l'ordre $p^+=Z$, $n^0=A-Z$, $e^-=Z-q$. Piège fréquent : donner le nombre d'$e^-$ total au lieu de $0$ quand la question porte sur le noyau.

Isotopes : même $Z$ (même élément), $A$ différent (neutrons différents) $\Rightarrow$ mêmes propriétés chimiques.

1. lister les $A_i$ des isotopes ;
2. écrire $\sum_i p_i=1$ ($100\,\%$) pour isoler l'abondance manquante ;
3. appliquer $\overline{A}=\sum_i p_i A_i$ (ou résoudre en $p$ si $\overline{A}$ est donné) ;
4. vérifier : $\overline{A}$ doit être proche de l'isotope le plus abondant.

• l'uma n'est pas la masse d'un proton : elle est définie à partir du $\prescript{12}{6}{\mathrm{C}}$ (coïncidence numérique seulement) ;
• ne pas confondre un pourcentage et une fraction : une abondance de $0,33\,\%$ donne $p=0,0033$, pas $0,33$.

On donne la masse atomique moyenne (tableau périodique) et les isotopes avec abondances partielles $\Rightarrow$ poser $\overline{A}=\sum p_i A_i$, $\sum p_i=1$, et résoudre l'inconnue manquante (abondance ou isotope).

Couches K, L, M, N… ($n=1,2,3,4$), capacité maximale $2n^2$ : K$=2$, L$=8$, M$=18$, N$=32$. Modèle simplifié : couche externe $\le 8$. Couche de valence = dernière couche occupée. Gaz nobles : valence saturée ($8$, ou $2$ pour He) $\Rightarrow$ stables (règle de l'octet/duet).

1. $n(e^-)=Z$ ;
2. remplir K ($\le2$), puis L ($\le8$), puis M… ;
3. tant qu'il reste des $e^-$ : couche externe $\le8$ avant d'ouvrir la suivante ;
4. la dernière couche occupée = couche de valence.

• la valence est la dernière couche occupée, pas forcément L (ex. phosphore $Z=15$ : (K)$^2$(L)$^8$(M)$^5$, valence $=$ M$^5$, pas L$^5$) ;
• métal ($1$-$3$ $e^-$ de valence) $\to$ perd $\Rightarrow$ cation ; non-métal ($6$-$7$) $\to$ gagne $\Rightarrow$ anion.

Établir la configuration $\Rightarrow$ compter les $e^-$ de la dernière couche : $7$ = halogène, $2$ = alcalino-terreux, $8$ (ou $2$ pour He) = gaz noble. Deux espèces de même $n(e^-)$ total sont isoélectroniques (même configuration) sans être le même élément.

Le long d'une période (vers la droite) et d'une colonne (vers le haut) : électronégativité $\chi$ et énergie d'ionisation $E_i$ augmentent. Le rayon atomique $r$ varie en sens inverse. Coin haut-droit (hors gaz nobles) $=$ petit & très électronégatif (F) ; coin bas-gauche $=$ gros & peu électronégatif.

Repérer la position (période, colonne) de chaque élément et appliquer directement le sens de variation — aucun calcul nécessaire. Piège annexe : un anion (gain d'$e^-$) a un rayon plus grand que l'atome neutre ; un cation (perte d'$e^-$), un rayon plus petit (2021, Q4).

Halogènes ($7\,e^-$ de valence : F, Cl, Br, I) : gagnent $1\,e^-\to X^-$. Alcalino-terreux ($2\,e^-$ de valence : Be, Mg, Ca) : perdent $2\,e^-\to X^{2+}$. Gaz nobles (valence saturée $8$, ou $2$ pour He) : configuration stable, peu réactifs.