Fiche de révision : Masse atomique et isotopes

📋 Plan du Cours

1. Constituants et organisation de l’atome
2. Masse et notation des atomes
3. Échelle atomique et quantité de matière
4. Masse molaire des atomes
5. Éléments et isotopes naturels

📖 1. Constituants et organisation de l’atome

★ À maîtriser

• L’atome est constitué d’électrons de charge négative, de protons de charge positive et de neutrons électriquement neutres.

• Les protons et les neutrons, appelés nucléons, constituent le noyau de l’atome.

📌 Un atome neutre comporte autant d’électrons que de protons.

Compléments

📌 Un atome qui perd des électrons devient un cation positif, tandis qu’un atome qui en gagne devient un anion négatif.

📖 2. Masse et notation des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Le numéro atomique Z caractérise l’élément et correspond au nombre de protons du noyau ; dans un atome neutre, il est aussi égal au nombre d’électrons.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons et vérifie $A=Z+N$, où Z est le nombre de protons et N le nombre de neutrons.

Compléments

• La masse du proton est $1{,}6724\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$, celle du neutron est $1{,}6747\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$ et celle de l’électron est $9{,}1\times10^{-31}\ \mathrm{kg}$.

• L’électron est environ 1 836 fois plus léger que le proton, de sorte que sa masse est négligeable devant celle des nucléons en première approximation.

• Un atome X de nombre de masse A et de numéro atomique Z se note $^{A}_{Z}X$.

📖 3. Échelle atomique et quantité de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : L’unité de masse atomique, notée u.m.a., est égale au douzième de la masse d’un atome de carbone 12, auquel on attribue la masse de 12,0000 u.m.a.
• Mole : La mole est une quantité de matière correspondant à un paquet de $6{,}022\times10^{23}$ entités.

★ À maîtriser

• Le nombre d’Avogadro est $N_A=6{,}022\times10^{23}$ entités par mole.

Compléments

• En première approximation, le proton et le neutron ont chacun une masse d’environ 1 u.m.a., et un atome de nombre de masse A a une masse d’environ A u.m.a.

• La masse d’une mole d’atomes de carbone 12 est 12 grammes.

• La valeur de l’unité de masse atomique est $1{,}661\times10^{-24}\ \mathrm{g}$.

📖 4. Masse molaire des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse molaire : La masse molaire M est la masse d’une mole d’une substance et s’exprime en g·mol⁻¹.

★ À maîtriser

📐 Formule - En négligeant la masse des électrons et le défaut de masse, la masse molaire approchée d’un atome de nombre de masse A est $M\approx A\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

Compléments

• L’écart de masse molaire attribuable à l’omission des électrons et du défaut de masse est estimé à l’ordre de $10^{-2}\text{ à }10^{-3}\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

💡 Astuce mémo

La masse des électrons et le défaut de masse étant négligés, la masse molaire approche le nombre de masse A.

📖 5. Éléments et isotopes naturels

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Les isotopes sont des atomes d’un même élément qui ont le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons et de masse A différents.
• Titre molaire : Le titre molaire x_i d’un isotope est sa proportion molaire dans un échantillon ; les titres molaires des isotopes d’un élément totalisent 100 % lorsqu’ils sont exprimés en pourcentage.

★ À maîtriser

📌 Un élément est l’ensemble des atomes ayant le même numéro atomique Z, tandis qu’un atome particulier est caractérisé par Z et son nombre de masse A.

📐 Formule - La masse molaire d’un élément naturel est la moyenne des masses molaires de ses isotopes pondérée par leurs titres molaires : $\langle M\rangle=\sum_i x_iM_i\approx\sum_i x_iA_i$.

Compléments

• Le carbone 14 possède six protons et deux nucléons de plus que le carbone 12, ces deux nucléons supplémentaires étant des neutrons.

• L’oxygène naturel contient 99,76 % d’oxygène 16, 0,04 % d’oxygène 17 et 0,20 % d’oxygène 18.

• L’hydrogène existe sous trois formes isotopiques nommées hydrogène, deutérium et tritium, de symboles respectifs $^{1}_{1}\mathrm{H}$, $^{2}_{1}\mathrm{D}$ et $^{3}_{1}\mathrm{T}$.

• Les isotopes d’un même élément occupent la même case du tableau périodique parce qu’ils ont le même Z.

💡 Astuce mémo

Même Z : même élément ; A différent : isotope différent.

📊 Tableaux de synthèse

Élément, atome et isotope