Physique-Chimie 3ème — Brevet

L’atome, les ions et le tableau périodique

Cours complet : structure de l’atome, protons, neutrons, électrons, numéro atomique, ions (cations et anions), tableau périodique des éléments, tests d’identification des ions, formules et exercices types pour le brevet.

L’atome est la brique de base de toute la matière. Comprendre sa structure, comment il forme des ions et des molécules, et comment on identifie les espèces chimiques en solution est fondamental en physique-chimie de 3ème — et c’est un sujet très fréquent au brevet.

I. La structure de l’atome

📖 Définition

Un atome est la plus petite particule d’un élément chimique. Il est constitué d’un noyau central (protons + neutrons) autour duquel gravitent des électrons.

Composant Localisation Charge électrique Symbole
Proton Noyau Positive (+) p
Neutron Noyau Neutre (0) n
Électron Autour du noyau Négative (−) e⁻
🔑 À retenir

L’atome est électriquement neutre : le nombre de protons (+) est égal au nombre d’électrons (−). Les charges se compensent.

L’atome est essentiellement constitué de vide : le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome. Si l’atome avait la taille d’un stade de football, le noyau serait une bille au centre.

II. Les constituants de l’atome en détail

A. Le numéro atomique Z

Le numéro atomique Z d’un atome est le nombre de protons dans son noyau. C’est ce numéro qui définit l’élément chimique. Par exemple, tout atome ayant Z = 6 est un atome de carbone, tout atome ayant Z = 26 est un atome de fer.

📐 Formule

Z = nombre de protons = nombre d’électrons (dans un atome neutre)

B. Le nombre de masse A

Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau.

📐 Formule

A = Z + N
Avec A = nombre de masse, Z = nombre de protons, N = nombre de neutrons
Donc : N = A − Z

C. Exemples d’atomes courants

Élément Symbole Z (protons) A (masse) Neutrons (A−Z) Électrons
Hydrogène H 1 1 0 1
Carbone C 6 12 6 6
Azote N 7 14 7 7
Oxygène O 8 16 8 8
Sodium Na 11 23 12 11
Chlore Cl 17 35 18 17
Fer Fe 26 56 30 26
Cuivre Cu 29 64 35 29

D. Ordres de grandeur

​ Taille Masse
Atome ~10⁻¹⁰ m (0,1 nm) ~10⁻²⁶ kg (très faible)
Noyau ~10⁻¹⁵ m (100 000 fois plus petit que l’atome) Concentre presque toute la masse de l’atome
Électron Ponctuel (pas de taille mesurable) ~2 000 fois plus léger qu’un proton

III. Le tableau périodique des éléments

Le tableau périodique (ou classification de Mendeleïev) classe les 118 éléments chimiques connus par numéro atomique croissant. C’est l’outil de base du chimiste.

A. Comment lire une case du tableau

Information Où la trouver Exemple (Fer)
Numéro atomique Z En haut de la case 26
Symbole de l’élément Au centre (1 ou 2 lettres, la 1re en majuscule) Fe
Nom de l’élément Sous le symbole Fer
Masse atomique En bas de la case 55,85

B. Organisation du tableau

Terme Signification
Ligne = période Les éléments d’une même ligne ont le même nombre de couches électroniques. Il y a 7 périodes
Colonne = famille Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques similaires. Il y a 18 colonnes

C. Les familles les plus importantes au brevet

Famille Colonne Exemples Propriété
Alcalins 1 Li, Na, K Très réactifs, 1 électron facile à perdre → forment des cations +1 (Na⁺, K⁺)
Halogènes 17 F, Cl, Br, I Très réactifs, gagnent facilement 1 électron → forment des anions −1 (Cl⁻, Br⁻)
Gaz nobles 18 He, Ne, Ar Très stables, ne réagissent (presque) pas. Couche externe saturée
💡 Astuce brevet

Au brevet, on ne te demande pas de connaître le tableau par cœur. On te le fournit dans le sujet et on te demande d’en extraire des informations : numéro atomique, symbole, nombre de protons/électrons, famille. Entraîne-toi à lire les cases !

IV. Des atomes aux molécules

📖 Définition

Une molécule est un assemblage de plusieurs atomes liés entre eux. La formule chimique indique la nature et le nombre de chaque type d’atome dans la molécule.

Molécule Formule Composition
Eau H₂O 2 atomes d’hydrogène + 1 atome d’oxygène
Dioxygène O₂ 2 atomes d’oxygène
Diazote N₂ 2 atomes d’azote
Dioxyde de carbone CO₂ 1 atome de carbone + 2 atomes d’oxygène
Méthane CH₄ 1 atome de carbone + 4 atomes d’hydrogène
Glucose C₆H₁₂O₆ 6 atomes de carbone + 12 d’hydrogène + 6 d’oxygène
Dihydrogène H₂ 2 atomes d’hydrogène
Acide chlorhydrique HCl 1 atome d’hydrogène + 1 atome de chlore
⚠️ Piège classique

Ne confonds pas O (un atome d’oxygène), O₂ (une molécule de dioxygène = le gaz qu’on respire) et O₃ (l’ozone). Le chiffre en indice indique le nombre d’atomes dans la molécule. Le chiffre devant la formule (coefficient) indique le nombre de molécules : 2 H₂O = 2 molécules d’eau.

V. Les ions : cations et anions

📖 Définition

Un ion est un atome (ou groupe d’atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Il porte une charge électrique.

​ Cation (ion positif) Anion (ion négatif)
Formation L’atome perd un ou plusieurs électrons L’atome gagne un ou plusieurs électrons
Charge Positive (+) : plus de protons que d’électrons Négative (−) : plus d’électrons que de protons
Moyen mnémotechnique Cation → signe + (le « t » de cation ressemble à un +) Anion → signe −

Les ions les plus courants au brevet

Ion Formule Type Nom
Ion sodium Na⁺ Cation Na a perdu 1 e⁻
Ion cuivre II Cu²⁺ Cation Cu a perdu 2 e⁻
Ion fer II Fe²⁺ Cation Fe a perdu 2 e⁻
Ion fer III Fe³⁺ Cation Fe a perdu 3 e⁻
Ion aluminium Al³⁺ Cation Al a perdu 3 e⁻
Ion zinc Zn²⁺ Cation Zn a perdu 2 e⁻
Ion hydrogène H⁺ Cation H a perdu 1 e⁻ (présent dans les acides)
Ion chlorure Cl⁻ Anion Cl a gagné 1 e⁻
Ion hydroxyde HO⁻ Anion Groupe d’atomes (présent dans les bases)
Ion sulfate SO₄²⁻ Anion Groupe d’atomes
🔑 À retenir

Quand un atome devient un ion, seuls les électrons changent. Le noyau (protons + neutrons) reste identique. Un ion sodium Na⁺ a toujours 11 protons, mais seulement 10 électrons (il en a perdu 1).

VI. Les solutions ioniques

Quand un sel (comme le chlorure de sodium NaCl) est dissous dans l’eau, il se sépare en ions. On obtient une solution ionique.

📐 Règle fondamentale

Une solution ionique est toujours électriquement neutre : la somme des charges positives est égale à la somme des charges négatives.

Exemples de solutions ioniques

Nom du composé Formule solide Ions en solution
Chlorure de sodium (sel) NaCl (Na⁺ + Cl⁻)
Sulfate de cuivre II CuSO₄ (Cu²⁺ + SO₄²⁻)
Chlorure de fer III FeCl₃ (Fe³⁺ + 3 Cl⁻)
Hydroxyde de sodium (soude) NaOH (Na⁺ + HO⁻)
Acide chlorhydrique HCl (H⁺ + Cl⁻)
⚠️ Vérifier l’électroneutralité

Pour FeCl₃ : Fe³⁺ a une charge +3. Il faut 3 ions Cl⁻ (chacun −1) pour compenser : +3 + 3×(−1) = 0 ✓
Pour CuSO₄ : Cu²⁺ a une charge +2. SO₄²⁻ a une charge −2 : +2 + (−2) = 0 ✓

VII. Tests d’identification des ions

Au brevet, on te demande souvent d’identifier des ions en solution à l’aide de réactifs qui forment des précipités (dépôts solides colorés).

Ion à identifier Réactif utilisé Observation (précipité)
Cu²⁺ (cuivre II) Soude (NaOH) Précipité bleu
Fe²⁺ (fer II) Soude (NaOH) Précipité vert
Fe³⁺ (fer III) Soude (NaOH) Précipité rouille (brun-orangé)
Zn²⁺ (zinc) Soude (NaOH) Précipité blanc
Al³⁺ (aluminium) Soude (NaOH) Précipité blanc
Cl⁻ (chlorure) Nitrate d’argent (AgNO₃) Précipité blanc qui noircit à la lumière
💡 Moyen mnémotechnique

Pour les ions avec la soude : Bleu = Cuivre, Vert = Fer II, Rouille = Fer III.
Pense à « BVR » (Bleu-Vert-Rouille) dans l’ordre Cu/Fe²⁺/Fe³⁺.

Le pH : acides et bases

pH Type de solution Ion caractéristique
pH < 7 Acide Ions H⁺ (hydrogène) en excès
pH = 7 Neutre Autant de H⁺ que de HO⁻
pH > 7 Basique Ions HO⁻ (hydroxyde) en excès
🔑 À retenir

Plus le pH est bas, plus la solution est acide (plus il y a de H⁺). Plus le pH est élevé, plus la solution est basique (plus il y a de HO⁻). L’eau pure a un pH de 7 (neutre).

VIII. Glossaire des définitions

AtomePlus petite particule d’un élément chimique. Constitué d’un noyau (protons + neutrons) et d’électrons.
ProtonParticule du noyau portant une charge positive (+). Le nombre de protons définit l’élément chimique.
NeutronParticule du noyau sans charge électrique (neutre).
ÉlectronParticule très légère portant une charge négative (−), en mouvement autour du noyau.
Numéro atomique ZNombre de protons dans le noyau d’un atome. Il définit l’élément chimique.
Nombre de masse ANombre total de nucléons (protons + neutrons) dans le noyau. A = Z + N.
MoléculeAssemblage de plusieurs atomes liés entre eux. Ex : H₂O (eau), CO₂ (dioxyde de carbone).
Formule chimiqueÉcriture indiquant la nature et le nombre de chaque atome dans une molécule. Ex : C₆H₁₂O₆ (glucose).
IonAtome ou groupe d’atomes ayant gagné ou perdu des électrons, portant une charge électrique.
CationIon positif (+). L’atome a perdu un ou plusieurs électrons. Ex : Na⁺, Cu²⁺, Fe³⁺.
AnionIon négatif (−). L’atome a gagné un ou plusieurs électrons. Ex : Cl⁻, SO₄²⁻, HO⁻.
Solution ioniqueSolution contenant des ions dissous dans un solvant (généralement l’eau). Toujours électriquement neutre.
PrécipitéDépôt solide qui se forme lors d’un test d’identification. Sa couleur permet d’identifier l’ion présent.
pHMesure de l’acidité d’une solution. pH < 7 = acide, pH = 7 = neutre, pH > 7 = basique.
Tableau périodiqueClassification de tous les éléments chimiques par numéro atomique croissant, regroupés par familles aux propriétés similaires.

IX. Questions fréquentes (FAQ)

L’atome a un noyau central (protons + neutrons) entouré d’électrons. Il est électriquement neutre : nombre de protons = nombre d’électrons. Le noyau est 100 000 fois plus petit que l’atome (l’atome est essentiellement du vide).

Un atome est neutre (protons = électrons). Un ion a gagné ou perdu des électrons, donc il porte une charge. Cation = ion + (perd des e⁻). Anion = ion − (gagne des e⁻). Le noyau ne change pas.

Avec des réactifs qui forment des précipités colorés. La soude (NaOH) donne : bleu → Cu²⁺, vert → Fe²⁺, rouille → Fe³⁺, blanc → Zn²⁺ ou Al³⁺. Le nitrate d’argent donne un précipité blanc (noircit à la lumière) → Cl⁻.

Chaque case donne le symbole, le numéro atomique Z (= nombre de protons) et la masse atomique. Les éléments d’une même colonne (famille) ont des propriétés similaires. Au brevet, le tableau est fourni : il faut savoir en extraire des informations.

Un atome = particule élémentaire d’un élément (ex : O). Une molécule = assemblage de plusieurs atomes liés (ex : H₂O = 2 H + 1 O). Une molécule peut contenir des atomes identiques (O₂) ou différents (CO₂).

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