Atomes, ions, Lewis et mole | Physique-chimie Seconde

Objectifs du parcours

Ce que tu vas savoir faire

Distinguer une espèce chimique de ses entités et équilibrer les charges d’un composé ionique.
Lire A et Z pour compter protons, neutrons et électrons, puis comparer les tailles de l’atome et du noyau.
Répartir les électrons d’un atome de Z ≤ 18 et retrouver sa période et ses électrons de valence.
Expliquer la charge d’un ion et interpréter un schéma de Lewis fourni.
Distinguer l’énergie nécessaire pour rompre une liaison de l’énergie libérée lors de sa formation.
Calculer la masse d’une entité, le nombre d’entités d’un échantillon et sa quantité de matière.

Le chapitre en bref

La matière est constituée d’entités : atomes, molécules ou ions. Le noyau identifie l’élément ; les électrons permettent d’expliquer les ions et les liaisons. Pour passer de l’invisible à une masse mesurable, on compte les entités par moles : une mole contient exactement 6,022 140 76 × 10²³ entités spécifiées. Ainsi, 18,0 g d’eau représentent environ une mole de molécules H₂O.

1. Du verre d’eau aux entités chimiques

Tu peux peser de l’eau ou observer un cristal de sel : tu décris alors un échantillon à l’échelle macroscopique. Pour expliquer de quoi il est constitué, il faut changer d’échelle. Une entité chimique est un objet microscopique individuel : un atome, une molécule ou un ion. Une espèce chimique désigne une collection d’un très grand nombre d’entités identiques. Une molécule H₂O est donc une entité ; l’eau est une espèce chimique.

Un atome est électriquement neutre. Une molécule est un assemblage électriquement neutre d’atomes liés entre eux : une molécule H₂O contient deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Un ion porte une charge électrique : Na⁺ est un cation, positif ; Cl⁻ est un anion, négatif. Le petit 2 dans H₂O compte des atomes, tandis que le signe + ou − indique une charge.

Un corps pur ne contient qu’une espèce chimique, tandis qu’un mélange en contient plusieurs. Dans le modèle d’un échantillon d’eau pure, les entités sont des molécules H₂O. Dans une solution de chlorure de sodium, les molécules d’eau et les ions Na⁺ et Cl⁻ coexistent. Dans le cristal de sel, les ions sont organisés en réseau : NaCl indique leur proportion, pas une molécule NaCl isolée.

À l’échelle macroscopique, la matière est électriquement neutre : les charges positives et négatives se compensent. Cela impose un bilan de charges, pas toujours autant de cations que d’anions. Dans NaCl, un Na⁺ compense un Cl⁻ ; dans CaCl₂, un Ca²⁺ compense deux Cl⁻. Pour comprendre d’où viennent ces charges, regardons maintenant l’intérieur d’un atome.

Trois niveaux de description de l’eau : un échantillon mesurable, des molécules H₂O, puis une molécule composée de deux atomes H et d’un atome O. Le nombre 2 de la formule compte les atomes d’hydrogène d’une molécule. — **Un échantillon, une espèce, des entités** Suis le changement d’échelle. Le verre contient un très grand nombre de molécules ; la formule H₂O décrit la composition d’une seule. Schéma original Maxdecours, 2026. Modèle simplifié, non à l’échelle. Les sphères représentent des atomes, pas leur aspect réel.

2. Lire le noyau et compter les particules

Un atome possède un noyau entouré d’un cortège électronique. Le noyau contient des protons, de charge +e, et des neutrons, de charge nulle. Chaque électron porte la charge −e, avec e ≈ 1,60 × 10⁻¹⁹ C. Les protons déterminent l’identité de l’élément : tout noyau contenant 11 protons appartient au sodium, qu’il soit dans un atome ou dans un ion.

Dans l’écriture d’un noyau, A se place en haut à gauche du symbole et Z en bas à gauche. Z est le numéro atomique, donc le nombre de protons. A est le nombre de nucléons : protons et neutrons réunis. Le nombre de neutrons vaut A − Z. Ainsi, ²³₁₁Na contient 11 protons et 23 − 11 = 12 neutrons. A compte des particules ; ce n’est pas une masse exprimée en grammes.

Deux noyaux de même Z mais de A différents sont des isotopes du même élément. Le carbone-12, ¹²₆C, et le carbone-14, ¹⁴₆C, possèdent tous les deux 6 protons, mais respectivement 6 et 8 neutrons. Changer le nombre de neutrons change l’isotope ; gagner ou perdre des électrons change la charge. Ces deux opérations ne changent pas l’élément.

Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons, donc Z électrons. Un ion portant +1 a un électron de moins, et un ion portant +2 en a deux de moins. Une charge −1 correspond au contraire à un électron de plus. Pour Na⁺, Z = 11 donne 10 électrons : 11 charges positives et 10 négatives laissent une charge totale +e.

La taille d’un atome est de l’ordre de 10⁻¹⁰ m ; celle du noyau est de l’ordre de 10⁻¹⁵ m. Leur rapport vaut 10⁵ : le noyau est environ 100 000 fois plus petit. Pourtant, il porte presque toute la masse. Un proton ou un neutron a une masse voisine de 1,67 × 10⁻²⁷ kg, contre 9,11 × 10⁻³¹ kg pour un électron. En négligeant la masse des électrons, on estime donc la masse d’un atome par $A × m_{nucléon}$ . Le cortège électronique, beaucoup plus léger, explique néanmoins une grande partie du comportement chimique.

Lecture de ²³₁₁Na : 23 nucléons et 11 protons, donc 12 neutrons. L’atome Na possède 11 électrons ; l’ion Na⁺ en possède 10. Dans les deux cas, le noyau conserve 11 protons et 12 neutrons. — **Le noyau reste le même quand l’atome devient un ion** Lis d’abord A et Z. Compare ensuite les électrons de Na et de Na⁺ : seul leur nombre change. Schéma original Maxdecours, 2026. Les nombres décrivent les particules ; les encadrés ne représentent ni leur taille ni leur position.

3. Répartir les électrons et lire le tableau périodique

Connaître le nombre d’électrons ne suffit pas : il faut décrire leur répartition. La configuration électronique indique combien occupent chaque sous-couche à l’état fondamental, l’état de plus basse énergie. Pour les atomes des trois premières périodes, de Z ≤ 18, l’ordre de remplissage est 1s, 2s, 2p, 3s, puis 3p. Une sous-couche s accueille au maximum 2 électrons ; une sous-couche p, au maximum 6.

Le chiffre devant s ou p indique la couche. L’exposant indique le nombre d’électrons dans la sous-couche : 2p⁴ signifie quatre électrons dans 2p. Pour le sodium neutre, Z = 11. On place 2 électrons dans 1s, 2 dans 2s, 6 dans 2p, puis le dernier dans 3s : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Contrôle toujours la somme des exposants : 2 + 2 + 6 + 1 = 11.

Les électrons de valence sont ceux de la couche externe occupée dans le domaine étudié. Pour Na, la couche externe est la couche 3 : il a un électron de valence. Pour Cl, 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵, elle contient 2 + 5 = 7 électrons. Il faut additionner les sous-couches de la couche externe, pas seulement lire le dernier exposant.

Pour un atome neutre, la plus grande valeur du numéro de couche donne la période du tableau périodique : Na et Cl sont en période 3. La dernière sous-couche remplie donne ici le bloc s ou p. Dans les colonnes principales, les éléments d’une même famille ont le même nombre d’électrons de valence, ce qui aide à comprendre leurs ressemblances chimiques. Les gaz nobles occupent la dernière colonne : He possède 2 électrons de valence ; Ne et Ar en possèdent 8. Ces configurations vont servir de repères pour expliquer certains ions et les molécules.

Remplissage du sodium : 1s contient 2 électrons, 2s en contient 2, 2p en contient 6 et 3s en contient 1, soit 11 au total. Pour le chlore, 3s contient 2 électrons et 3p en contient 5, soit 7 électrons de valence dans la couche 3. — **Compter tous les électrons, puis ceux de la couche externe** Les cases montrent un nombre d’électrons par sous-couche. Dans la couche 3 du chlore, additionne 3s² et 3p⁵ : tu obtiens 7 électrons de valence. Schéma original Maxdecours, 2026. Représentation de la répartition électronique pour Z ≤ 18, sans trajectoire ni position des électrons.

4. Expliquer les ions et lire un schéma de Lewis

Les gaz nobles sont peu réactifs dans les conditions usuelles. Leur couche de valence complète fournit un repère : 2 électrons pour l’hélium, 8 pour le néon et l’argon. Dans certaines transformations, un atome gagne ou perd des électrons et forme un ion monoatomique ayant la configuration d’un gaz noble. Ce repère décrit un résultat chimique ; il ne signifie pas que l’atome choisit ou souhaite une configuration.

Na perd un électron : Na⁺ possède 10 électrons et la configuration 1s² 2s² 2p⁶ du néon. Cl gagne un électron : Cl⁻ possède 18 électrons et la configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ de l’argon. Avoir une couche externe complète ne rend pas un ion neutre : le noyau de Cl⁻ contient toujours 17 protons pour 18 électrons. Depuis le tableau périodique, on retrouve aussi des ions courants : ion sodium Na⁺, ion potassium K⁺, ion magnésium Mg²⁺, ion calcium Ca²⁺, ion fluorure F⁻ et ion chlorure Cl⁻. L’ion hydrogène H⁺ résulte de la perte de l’unique électron de H ; il ne possède aucun électron et ne suit donc pas ce repère des gaz nobles.

Dans une molécule, les atomes mettent en commun des électrons de valence. Le schéma de Lewis fourni représente ces électrons par doublets, c’est-à-dire par paires. Un trait entre deux atomes représente un doublet liant partagé, soit 2 électrons. Un trait placé auprès d’un seul atome représente un doublet non liant. Un schéma de Lewis décrit les liaisons et les doublets ; il ne donne pas à lui seul la forme réelle de la molécule.

Pour lire Lewis, compte d’abord les électrons de valence apportés par tous les atomes. Puis vérifie qu’ils sont tous représentés, deux par doublet. Pour compter les électrons autour d’un atome, un doublet liant compte pour ses deux partenaires : l’hydrogène est entouré de 2 électrons et, dans les molécules simples étudiées, C, N et O de 8. Pour compter le total de la molécule, ce même doublet ne se compte qu’une fois.

Dans H₂O, O apporte 6 électrons et les deux H en apportent 2 : le schéma doit représenter 8 électrons, soit 4 doublets. Deux sont liants et deux sont non liants sur O. Dans CO₂, les 16 électrons de valence donnent 8 doublets : 4 liants dans les deux liaisons doubles O=C=O, et 4 non liants, deux sur chaque O. Lire ces doublets permet de vérifier le modèle ; il reste à comprendre ce que signifie rompre une liaison.

Schémas de Lewis fournis. H₂O : H–O–H avec deux doublets non liants sur O, soit deux doublets liants et deux non liants, 8 électrons au total. CO₂ : O=C=O avec deux doublets non liants sur chaque O, soit quatre doublets liants et quatre non liants, 16 électrons. — **Chaque trait représente un doublet, donc deux électrons** Compte tous les traits, y compris ceux qui ne relient pas deux atomes. Une liaison double contient deux doublets liants. Schéma original Maxdecours, 2026. Schémas de Lewis, pas des représentations de la géométrie : H₂O n’est pas une molécule linéaire.

5. Rompre une liaison demande de l’énergie

Les atomes liés constituent une entité plus stable que les atomes séparés considérés dans le même modèle. Les séparer exige un apport d’énergie. L’énergie de liaison correspond à l’énergie nécessaire pour rompre une liaison : plus elle est élevée, plus cette rupture demande d’énergie. Une liaison forte n’est donc pas une liaison qui libère beaucoup d’énergie quand on la casse.

Dans le processus inverse, former cette liaison à partir des mêmes atomes séparés libère de l’énergie. Le sens du transfert dépend de l’action et du système étudié : la rupture reçoit de l’énergie ; la formation en cède. Si une transformation rompt certaines liaisons et en forme d’autres, son bilan dépend de toutes les ruptures et de toutes les formations. Une seule énergie de liaison ne suffit pas à prévoir si la transformation globale libère de l’énergie.

Attention à ce qui est réellement séparé : faire bouillir de l’eau sépare davantage les molécules H₂O, mais ne les décompose pas en H et O. La vapeur d’eau contient toujours des molécules H₂O. Les interactions entre molécules et les liaisons O–H à l’intérieur de chaque molécule ne sont pas la même chose. Nous savons maintenant décrire les entités ; pour relier ce modèle à une masse d’eau, il faut apprendre à les compter.

Dissocier trois molécules de dihydrogène

Dans le modèle de cet exercice, dissocier une molécule H₂ en deux atomes H séparés demande 7,2 × 10⁻¹⁹ J. Quelle énergie faut-il fournir pour trois molécules ?

Une molécule H₂ possède une liaison H–H. Pour trois molécules, il faut rompre trois liaisons.
L’énergie totale est proportionnelle au nombre de liaisons : $E = 3 × E_{liaison}$ .
Application numérique : E = 3 × 7,2 × 10⁻¹⁹ J = 2,16 × 10⁻¹⁸ J, soit environ 2,2 × 10⁻¹⁸ J.
La valeur est exprimée en joules. Elle est positive comme énergie à fournir : le système reçoit de l’énergie pour séparer les atomes.

Trois molécules donnent six atomes séparés, mais seulement trois liaisons ont été rompues. La formation inverse libérerait la même énergie dans ce modèle.

6. Passer d’une masse aux entités, puis à la mole

Une balance donne une masse, pas le nombre de molécules. Pour passer de l’une à l’autre, on utilise la masse d’une entité. La masse d’une molécule se calcule en additionnant les masses des atomes de sa formule : pour H₂O, $m_{entité} = 2 × m_{H} + m_{O}$ . Le petit 2 devient un coefficient dans le calcul. Les masses atomiques sont données ou estimées à partir du noyau selon l’exercice.

Si un échantillon de masse m est constitué d’entités identiques de masse $m_{entité}$ , alors $m = N × m_{entité}$ . On isole le nombre d’entités : $N = \frac{m}{m_{entité}}$ . Il faut mettre les deux masses dans la même unité. Le quotient kg/kg est sans unité : N est un nombre d’entités, pas une masse. Dans un mélange, on utilise la masse de l’espèce étudiée, pas celle de tout le mélange.

Comme les entités sont extrêmement légères, N est immense. La mole fournit un paquet de comptage adapté à ces nombres : une mole contient exactement 6,022 140 76 × 10²³ entités spécifiées. Il faut préciser de quelles entités on parle : molécules H₂O, atomes Fe ou ions Na⁺. Une mole de molécules H₂O contient deux moles d’atomes H et une mole d’atomes O.

La quantité de matière, notée n, s’exprime en moles, symbole mol. La constante d’Avogadro vaut exactement Nₐ = 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹. On écrit $N = n × Nₐ$ , ou $n = \frac{N}{Nₐ}$ si l’on cherche n. Pour le calcul, on utilise souvent Nₐ ≈ 6,02 × 10²³ mol⁻¹ : cette écriture est arrondie, tandis que la constante est exacte. Ne confonds pas n, quantité de matière, avec N, nombre d’entités.

Avant de calculer, convertis la masse : 1 g = 10⁻³ kg, donc 18,0 g = 1,80 × 10⁻² kg. Dans un quotient de puissances de dix, les exposants se soustraient : 10⁻² / 10⁻²⁶ = 10²⁴. À la fin, vérifie le sens du résultat : quelques grammes d’eau contiennent un très grand nombre de molécules, et doubler la masse double N et n. Nous avons ainsi relié une mesure macroscopique au modèle microscopique.

Combien de molécules dans 18,0 g d’eau ?

L’échantillon est de l’eau pure. Données arrondies : $m_{H}$ = 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; $m_{O}$ = 2,66 × 10⁻²⁶ kg. Calcule N, puis n.

Nomme l’entité : une molécule H₂O. Sa masse vaut 2 × 1,67 × 10⁻²⁷ + 2,66 × 10⁻²⁶ = 2,994 × 10⁻²⁶ kg, soit environ 2,99 × 10⁻²⁶ kg.
Convertis la masse de l’échantillon : m = 18,0 g = 1,80 × 10⁻² kg.
Compte les molécules : $N = \frac{m}{m_{entité}}$ . Avec les masses en kg, N = (1,80 × 10⁻²) / (2,99 × 10⁻²⁶) ≈ 6,02 × 10²³ molécules.
Convertis en moles : $n = \frac{N}{Nₐ}$ . Donc n ≈ (6,02 × 10²³) / (6,022 140 76 × 10²³) ≈ 1,00 mol.
Contrôle : N est sans unité et n est en mol. Il s’agit d’une mole de molécules H₂O, donc de deux moles d’atomes H et d’une mole d’atomes O.

18,0 g d’eau contiennent environ 6,02 × 10²³ molécules H₂O, soit environ 1,00 mol. Le résultat est approché parce que les masses utilisées sont arrondies.

Erreurs fréquentes

L'essentiel à mémoriser

Une espèce chimique rassemble des entités identiques ; une entité est un atome, une molécule ou un ion individuel.
Z est le nombre de protons et A le nombre de nucléons ; un noyau contient A − Z neutrons.
Un atome neutre possède Z électrons ; un cation en a perdu, un anion en a gagné.
Pour Z ≤ 18, on remplit 1s, 2s, 2p, 3s, 3p ; une sous-couche s contient au plus 2 électrons et une p au plus 6.
Pour un atome neutre, les électrons de valence occupent la couche externe ; son numéro donne la période du tableau périodique.
Un doublet de Lewis représente 2 électrons, qu’il soit liant ou non liant. Une liaison double contient 2 doublets liants.
Rompre une liaison demande de l’énergie ; former cette même liaison en libère dans le processus inverse.
Une mole contient exactement 6,022 140 76 × 10²³ entités spécifiées. On utilise $N = \frac{m}{m_{entité}}$ , puis $n = \frac{N}{Nₐ}$ , avec les masses dans la même unité.

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Sources et traçabilité

Dernière vérification : 2026-10-04

Programme de physique-chimie de seconde générale et technologique, Ministère de l’Éducation nationale, consulté le 2026-10-04.
Physique-chimie, enseignement commun, classe de seconde, Ministère de l’Éducation nationale, consulté le 2026-10-04.
Le Système international d’unités, brochure sur le SI, 9e édition, Bureau international des poids et mesures, consulté le 2026-10-04.
Mole : définition de l’unité de quantité de matière, Bureau international des poids et mesures, consulté le 2026-10-04.

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