La structure de l'atome

September 22, 2020



Le tableau périodique, vous me direz, c'est bien joli. On a compris qu'il présentait les éléments du monde un à un, selon des regroupements souvent abscons d'ailleurs. Alcalino-terreux, post-transitionnels ... 😵 Soit. Mais après ?

J'ai gardé le meilleur pour la fin. 😊 Figurez-vous que le tableau périodique est une sorte de notice. Il est le grand livre des secrets de l'univers - et pourtant, il tient sur une double page, et comporte si peu de caractères ! Celui qui sait le lire a accès au mystère intime de la matière, à la structure atomique elle-même. Le tableau périodique est le mode d'emploi très simple, ultra-transparent et super-concis, du plus élémentaire jeu de construction qui soit. 
 
Et il se trouve qu'apprendre à le décrypter est tout à fait à la portée d'un enfant de 8 ou 9 ans. 😊
 
Alors aujourd'hui, nous allons construire des atomes. Oui, oui, construire des atomes ! Ou du moins, des  représentations d'atomes. 
 
Un truc de dingue. 😄

 
 
Expliquez à l'enfant que tous les atomes ont des noyaux, comme certains fruits ! Ce noyau se trouve au centre de l'atome, et se compose de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont les deux parties du noyau - pour le dire autrement, le noyau n'est composé que de protons et de neutrons.
 
 
Nous allons représenter le noyau par un disque de papier, les protons par des perles oranges, et les neutrons par des perles roses. (Peu importe les couleurs à vrai dire, prenez ce que vous avez sous la main !) Commençons par placer une pincée de chaque de manière arbitraire - on affinera dans une minute :

Voici un noyau garni d'un certain nombre de protons et de neutrons. 😊

Et puis, il y a une autre partie très importante : ce sont les électrons qui tournent autour du noyau. On peut imaginer que le noyau est une planète, et que les électrons sont des satellites en orbite autour de lui.


(Un mot sur le modèle planétaire, sciemment choisi ici pour sa limpidité. Oui, il date du siècle dernier, et la naissance de la physique quantique l'a rendu caduque. Mais il reste efficace, au moins pour les quatre premières lignes du tableau périodique. Mon chimiste de mari m'a assuré qu'il était encore très utilisé par la communauté scientifique pour produire des résultats et que je pouvais sans rougir le présenter à nos enfants ! 😄 )

Nous allons représenter les électrons avec des perles noires et nous allons matérialiser l'orbite sur laquelle ils sont placés avec un disque de couleur.
 
Seulement, les électrons ont leurs petites manies. Ils ne se rangent pas n'importe comment, mais s'organisent parfois (souvent !) sur plusieurs régions, à différentes distances du noyau. On les trouve donc sur des orbites différentes, un peu comme les planètes autour du soleil. Un atome peut posséder une seule orbitale, certes, mais parfois deux ou trois ... ou plus ! Nous matérialiserons ces orbites avec des disques de plus en plus grands, que nous allons superposer. 
 
 
Comment connaitre le nombre d'orbitales d'un atome ? C'est très simple. On consulte le tableau périodique : plus on descend dans le tableau périodique, plus les atomes comptent d'orbitales atomiques : les éléments de la première ligne (hydrogène, hélium) ont un orbite. Une ligne = une orbitale.



 Ceux de la deuxième ligne ont deux orbites ...



Ceux de la troisième ligne en ont trois ...


Ceux de la quatrième ligne en ont quatre ...
 

Facile ! 😊
 
(Et on s'arrêtera là, parce que je n'ai pas de feuilles assez grandes pour tracer les orbites suivantes ... Voilà ! 😄 )
 
Construisons la maquette d'un atome, à présent. C'est très facile à condition d'avoir, une fois de plus, un tableau périodique sous les yeux. Commençons par l'hydrogène, puisque c'est le plus simple !

L'hydrogène a un noyau, bien sûr ... et il n'a qu'une seule orbitale atomique - on  le sait puisqu'il est situé sur la première ligne.
 

Comme tous les atomes, son noyau doit être composé de protons et de neutrons !? Mais combien en mettre ?

Pour les protons, rien de plus simple, leur nombre est indiqué en haut à gauche de la case du tableau périodique.

L'hydrogène a donc un proton - nous plaçons une perle orange sur le noyau.



Mais comment connaitre le nombre de neutrons ? Rien dans nos petites cases ne nous indique le nombre de neutrons !! Pas de panique, c'est encore une fois très facile : pour connaitre le nombre de neutrons, il s'agit de prendre la masse atomique ...

... et de lui soustraire le nombre de protons ...


Ouh là là, mais c'est très facile, ça ! 1 - 1 = 0. L'hydrogène n'a donc pas de neutron.

Reste à placer les électrons. Nous savons que l'hydrogène n'a qu'une seule orbitale, puisqu'il est sur la première ligne du tableau périodique. Comptons à présent ensemble le nombre d'éléments de "sa" ligne, la première ligne du tableau périodique. 
 

 Il n'y en a que deux, l'hydrogène et l'hélium, n'est-ce pas ? Cela signifie que la première orbitale ne peut contenir, au plus, que deux électrons. Lorsqu'il y a deux électrons sur cet orbite, il est "plein", en quelque sorte. Il ne peut pas en accueillir plus - mais il peut en contenir moins.  
 

Ici, nous matérialisons ce nombre maximal d'électrons par des empreintes réalisées avec un tampon en forme de O. La première orbitale peut accueillir, au plus, deux électrons - Antonin réalise deux empreintes diamétralement opposées.


Pour savoir combien un élément possède d'électrons, on compte sa position dans le tableau périodique. L'hydrogène est le n°1 : il a donc un seul électron


Et si on réalisait le schéma de l'hélium, avec le même raisonnement ? Voyons, un noyau et une orbite, oui... Le nombre de protons, c'est facile, c'est écrit : c'est 2. Le nombre de neutrons, c'est toujours facile (masse atomique - nombre de protons), c'est 4 - 2, deux neutrons. Une seule orbitale, et 2 électrons, cette fois, puisque l'hélium est en deuxième position sur sa ligne.


Attirez l'attention de votre enfant sur le fait suivant : l'orbite, dans le cas de l'hélium, est plein. Il peut accueillir deux électrons tout au plus (il y a deux empreintes, qui se trouvent comblées toutes deux), et il les contient. L'atome d'hydrogène, n'avait qu'un électron, vous vous souvenez ? C'est sans doute une toute petite différence, mais il va en résulter que l'hélium et l'hydrogène vont avoir des comportements totalement différents. L'hélium tend à vouloir rester comme il est, plein, équilibré, stable ; alors que l'hydrogène va tout faire pour ... changer : soit se débarrasser de son électron esseulé, soit en adopter un autre. Cet élément est dit "réactif" - et on comprend que les atomes les plus réactifs se trouvent à gauche du tableau périodique !! Il leur "manque" des électrons, et dans le monde des atomes, on tend à l'équilibre !! 😊

Mais voyons si nous avons tout bien compris, et attaquons-nous à un atome plus complexe. Le Bore, par exemple.

Un noyau, toujours ... Mais deux orbitales, cette fois, puisque le Bore se situe sur la deuxième ligne du tableau.



5 protons, c'est écrit. Pour les neutrons, 11 - 5, qui font 6.


Et les électrons ? Le bore est sur la deuxième ligne du tableau : cela signifie qu'il a rempli la première orbitale à bloc. La première orbitale, on s'en souvient, pouvait accueillir deux électrons ; le Bore les a.
 


Combien la deuxième orbitale peut-elle accueillir d'électrons ? Pour le savoir, comptons les éléments de la deuxième ligne du tableau périodique :



Du Lithium au Néon, ils sont 8. La deuxième orbitale peut donc accueillir, au plus, 8 électrons.

Et quelle est la position du Bore, sur cette ligne ? C'est le n°3, ce qui signifie que sa deuxième orbitale contient 3 électrons. 



"3 électrons sur 8 ! A ton avis, le Bore se sent-il complet ? Est-il stable ? Non, le Bore ne va avoir qu'une idée en tête, gagner ou perdre des électrons pour s'équilibrer.

Et d'ailleurs, puisqu'on a parle : qu'est-ce qui est le plus économique, pour le Bore ? Perdre ou gagner des électrons ? Il peut essayer de perdre 3 électrons, ou d'en gagner 5. Tu l'auras deviné, il préfère en perdre 3, en "lâcher" 3, car cela lui demande moins d'effort ! Il est un peu paresseux, le Bore, mais tous les atomes fonctionnent ainsi s'ils le peuvent. Le monde des atomes cherche l'équilibre, oui, mais avec un minimum d'effort s'il vous plait."

Allez, c'est trop amusant, il nous faut un autre exemple ! Le Potassium !
 
 
Un noyau et ... Ouaouh ! Quatre orbites ! Ça fait sérieux ! Nombre de protons : 19. Ça fait bigrement sérieux. Nombre de neutrons : 39 - 19 : 20 ! La classe à Dallas. 

Et les électrons ? On remplit la première orbite (2 électrons). On remplit la deuxième orbite (8 électrons). On remplit la troisième (on compte le nombre d'éléments de la 3e ligne du tableau ... Huit aussi !). Sur la 4e ligne, le potassium est en 1ère position. Il a donc 1 électron sur la quatrième orbitale.
 
 
Laquelle orbitale pourrait contenir ... Comptons ... Du Potassium à au Krytpton, ils sont 18 éléments sur la 4e ligne ! La 4 orbitale pourrait contenir, au plus, 18 électrons. Le Potassium est-il heureux ? Point du tout. Il n'aspire qu'à perdre un électron - bien plus économique pour lui que d'en adopter 17, évidemment.
 

Un petit dernier pour la route, mais cette fois, vous le faites tout seuls, hein ?

Le Néon !

Vérifiez si vous avez tout juste :

 
Oui ?

Bravo ! Votre enfant peut être sacré "Grand maitre de l'Univers", rien que cela !! ❤

Et après cette apothéose, je suis (presque) au bout de ce que je souhaite partager avec vous au sujet de ce magnifique tableau périodique...

À la maison, l'intérêt ne faiblit pas. Antonin se plonge régulièrement (et profondément) dans les livres dont je vous parlais ICI et qui ne prennent pas la poussière, ça ! 😄 Par ailleurs, il a mis en musique la suite des symboles élémentaires, de manière à les mémoriser en chanson. 😏
 
Le Six Vite est sorti tous les deux jours en moyenne - et les parties, dont les règles ont été légèrement remaniées par le Damoiseau, sont in-ter-mi-nables ! 😂 Lorsque c'est enfin fini, Antonin enchaine sur un autre délice : il me donne un symbole chimique, et je dois trouver le nom de l'élément. 
 
"Fe ? 
- Fer ! Facile, haha (Je suis la meilleure !)
- Rf ?
- Mfffgu'andkpfb' ... Soupir ... Il est vraiment trop trop dur, ce jeu ... 😓"
 
L'avantage, c'est que pendant ce temps, je peux fouetter une sauce ou passer un coup de balai - il est impitoyable, mon Damoiseau, il exploite chaque parcelle de ma disponibilité mentale, oui !!  

Je reviendrai vous présenter rapidement d'autres jeux sur le sujet - promis cette fois ce sera RAPIDE, et puis je vais attendre que l'eau coule un peu les ponts et mes prochains articles seront, je vous assure, plus concrets.

Voire bassement matériels.

(On me dit dans l'oreillette, que la matière, c'est concret et on-ne-peut-plus matériel. 
 
Mais je sors.

Prenez soin de vous ! ❤)

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9 comments

  1. Formidable! Nous plongeons dedans petit à petit grâce à notre lecture du moment : La naissance du monde en 100 épisodes. C'est extra et ils sont fan des atomes ;-)! Merci!
    Anne

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  2. Mais c'est passionnant et clair comme de l'eau de roche !
    Je ne comprends pas qu'on ne m'en ait jamais parlé au lycée...

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  3. Brillant! J'ai tellement hâte d'essayer pour voir si la sauce élémentaire prend chez nous aussi. Nous venons de recevoir le livre des édition Usborne : à la fin de notre lecture du moment, on s'y colle!

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  4. Alors ça c'est génial ! dire que je détestais cette matière à l'école ... ça me donne envie de jouer avec mes enfants !

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  5. Alors là encore j'adore.
    J'ai déjà craqué sur le livre Pop Up et j'ai même acheté dans la foulée, un kit pour construire les molécules ;)
    Je vais préparé très vite des cercles de couleurs.

    Mais pour l'instant je garde cela sous le coude car en ce moment nous avons remonté le temps et nous nous intéressons à l'échelle des temps géologiques.
    Les atomes (et les molécules) viendrons juste après, ça tombe bien car nous avons rencontré nos premières molécules dans notre voyage (H2O, CO2, N2, O2...) ;)

    Merci à toi pour cette superbe présentation. <3

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  6. Merci Montessori! J'ai trouvé votre article passionnant! Cela me rappelle mes vieux cours de chimie du collège.... même si beaucoup de choses ont dû changer depuis. Et merci d'une manière générale pour tous vos articles très intéressants. Je me demande juste comment vous faites pour organiser et préparer toutes ces situations pédagogiques à la maison en plus de votre travail??? Depuis que je suis enseignante (6 ans, reconversion professionnelle à 35 ans), je lutte contre le temps pour essayer d'arriver à tout gérer (3 enfants) mais c'est bien mon travail qui me prend le plus de temps, ce qui me culpabilise au quotidien. Je n'organise jamais de situations pédagogiques "hors du commun" à mes enfants à la maison, seulement les situations du quotidien. Merci de votre retour s'il vous reste un peu de temps. Belle journée à vous.

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    1. Bonjour Karine,
      Juste un petit mot pour t'indiquer où Elsa répond à ta question :
      Tu trouveras sa réponse sur le blog "où es-tu coquelipop ?" Dans l'onglet accueil, rubrique "questions fréquentes"e rubrique "ec blog et moi".

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  7. J'adore vraiment, çe me ferait une super semaine de vacances de toussaint ca...
    Je vais regarder ça de près!

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  8. Bonjour,
    Chez nous, nous nous sommes surtout intéressés aux molécules. J'ai imprimé un tableau périodique et nous avons colorié les cases qui nous intéressaient de différentes couleurs. Puis, avec des Playmaïs aux couleurs correspondantes, nous avons assemblé nos molécules : O2, diazote, H2O silice, sel, CO2 ... Nous les avons collées sur un dessin représentant le bord de mer avec les légendes "sable mouillé", "eau salée" etc.
    Nous avons aussi représenté les trois états de l'eau avec ces molécules en Playmaïs : collés sur une feuille en pavage pour la glace, en vrac dans une petite bouteille pour le liquide, attaché à un petit mobile (fait de fil et de pic à brochettes) pour le gaz.
    Merci encore pour ton partage. Je ne comprenais pas trop le classement en ligne et cette histoire d'électrons. Grâce à toi, c'est devenu limpide !

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