De quoi est fait un atome

Bienvenue dans ce parcours sur les atomes, les molécules et les liaisons chimiques. Ici, chaque notion part de quelque chose que tu as déjà vu : le sel de cuisine, la glace, le gaz de la bouteille, les couleurs d'un feu d'artifice. Dans cette première leçon, on ouvre l'atome. Tu vas voir de quelles particules il est fait, ce que signifient les deux nombres écrits à côté de chaque symbole chimique, et pourquoi on dit que l'atome est surtout fait de vide. À la fin, tu dois pouvoir dire combien de protons, de neutrons et d'électrons contient un atome dont on te donne le symbole et les deux nombres.

Regarde autour de toi. L'eau de ton verre, le sel de ta cuisine, le fil de cuivre d'une rallonge, l'air que tu respires : tout est fait d'atomes. On connaît aujourd'hui 118 éléments chimiques, mais la plupart des choses de ta vie quotidienne n'en utilisent qu'une poignée : l'hydrogène, le carbone, l'azote, l'oxygène, le sodium, le chlore, quelques métaux. Ce qui fait la différence entre une goutte d'eau et un grain de sel, ce n'est pas seulement la nature des atomes. C'est surtout la façon dont ils sont liés entre eux. C'est exactement le sujet de ce parcours.

Au centre de l'atome se trouve le noyau. Il réunit deux sortes de particules : les protons, chargés positivement, et les neutrons, sans charge, dont la masse est presque celle d'un proton. Tout autour se déplacent les électrons, chargés négativement et beaucoup plus légers : la masse d'un électron ne fait qu'un peu plus d'un demi-millième de celle d'un proton, si bien qu'on la néglige dans la plupart des calculs. Un atome neutre compte exactement autant d'électrons que de protons, et leurs charges s'annulent. S'il gagne ou perd des électrons, il devient un ion : c'est le cas de l'ion sodium du sel de cuisine, que tu retrouveras souvent.

Le numéro atomique, noté Z, compte les protons du noyau, et c'est lui qui décide de quel élément il s'agit. Un noyau qui porte vingt-six protons est un noyau de fer, qu'il vienne du minerai d'une montagne guinéenne ou d'un clou acheté au marché de Lomé. Ajoute un seul proton, et ce n'est plus du fer : avec vingt-sept protons, c'est du cobalt. Huit protons font l'oxygène, onze le sodium, dix-sept le chlore. Changer le nombre d'électrons, en revanche, ne change pas l'élément : l'atome devient seulement un ion. C'est pour cela que le tableau périodique range les éléments par Z croissant.

Le nombre de masse, noté A, compte toutes les particules du noyau : protons et neutrons. Pour trouver le nombre de neutrons, tu fais simplement A moins Z. On écrit A en haut à gauche du symbole et Z en bas à gauche. Prends le carbone 12 : six protons, donc six neutrons. Le sodium 23 a onze protons, donc douze neutrons. Le fer 56 a vingt-six protons et trente neutrons. Fais attention à ne pas confondre le nombre de masse, qui est un entier qu'on compte, et la masse atomique du tableau, qui n'est presque jamais entière. On verra pourquoi dans la leçon suivante.

Un atome mesure environ un dixième de milliardième de mètre, et son noyau est encore des dizaines de milliers de fois plus petit. Fais l'expérience en pensée dans l'autre sens : grossis le noyau jusqu'à la taille d'une bille d'un centimètre, posée au milieu d'un rond-point d'Abidjan. Les électrons de cet atome géant se répartiraient alors dans une sphère de quelques dizaines à quelques centaines de mètres de rayon, de la taille d'un quartier entier. Et pourtant, la bille porte plus de quatre-vingt-dix-neuf virgule neuf pour cent de la masse. Entre la bille et les électrons, il n'y a rien : la matière est surtout faite de vide, et ce sont les électrons, par la place qu'ils occupent, qui donnent à chaque élément ses propriétés chimiques.

Voici le chemin que tu vas suivre. Les deux premiers modules s'occupent de l'atome seul : ses électrons, puis le tableau périodique, qui permet de prévoir le comportement d'un élément. Les modules 3 et 4 t'apprennent à dessiner une molécule, puis à prévoir sa forme en trois dimensions et sa polarité. Le module 5 explique les liaisons avec les orbitales. Le module 6 relie tout cela à ce que tu observes : pourquoi le sel est dur, pourquoi le cuivre conduit, pourquoi la glace flotte. Chaque module se termine par un lab, une simulation et un quiz. Aucun produit chimique n'est à manipuler : tu travailles par la prévision, le dessin et la modélisation sur ordinateur.

Retiens d'abord l'image générale : un noyau minuscule et lourd, chargé positivement, entouré d'un nuage d'électrons très léger mais très étendu. Retiens ensuite les deux nombres. Z, le numéro atomique, compte les protons et dit de quel élément il s'agit. A, le nombre de masse, compte protons et neutrons. Si un atome gagne ou perd des électrons, il reste le même élément mais devient un ion. Enfin, garde en tête que la chimie, c'est l'histoire des électrons : le noyau ne change pas pendant une réaction chimique. Dans la prochaine leçon, tu verras les isotopes et la mole, l'outil qui permet de passer de l'atome au sac de sel.