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Les atomes et leur charge
Les atomes sont neutres ; ils n'ont pas de charge parce que leurs particules sont équilibrées. Cependant, si tu enlèves ou ajoutes une de leurs charges négatives (électrons), tu as un atome non équilibré. Un atome ou une particule dont la charge est différente de zéro est appelé un ion. Les ions peuvent être positifs (cation) ou négatifs (anion).
- Cation : un ion chargé positivement, qui a un excès de particules positives.
- Anion : un ion chargé négativement, qui a un excès de particules négatives.
Fig. 1 - De gauche à droite : un anion d'hydrogène, un atome d'hydrogène neutre et un cation d'hydrogène.
La charge spécifique des électrons et des protons
Les atomes ne sont pas les seuls à pouvoir avoir une charge spécifique ; il en va de même pour les particules élémentaires. La charge spécifique de chaque particule dépend de la masse et de la charge de la particule (voir ci-dessous), ce qui affecte également la charge spécifique de l'atome.
Comment calculer la charge spécifique d'une particule ?
Pour obtenir la charge spécifique d'une particule, nous devons connaître sa masse et sa charge électrique. À partir de celles-ci, nous pouvons calculer la charge spécifique en divisant la charge électrique d'une particule par sa masse :
\[\text{Charge spécifique} = \frac{\text{Charge électrique}}{\text{Masse de la particule}}\].
La masse et la charge d'un atome sont indiquées dans la notation du nucléide, qui détermine le nombre de particules qui composent la masse du noyau et le nombre total de protons dans l'atome unique d'un élément.
Lire la notation des nucléides
La notation du nucléide nous indique le symbole de l'élément (en lettres latines) et une partie de la structure de l'atome, à l'aide de son numéro de masse et de son numéro atomique :
- Le numéro de masse, qui indique le nombre de protons et de neutrons qui composent la masse de l'élément, se trouve dans le coin supérieur gauche.
- Le numéro atomique, dans le coin inférieur gauche, indique le nombre de protons dans l'atome.
Vois les deux exemples ci-dessous.
\(^{12}_{6}C\)
Le symbole nous indique qu'il s'agit d'un atome de carbone, le chiffre douze indiquant que le noyau du carbone 12 contient douze particules.
Les particules du noyau constituent la majeure partie de la masse de l'atome. Le nombre six nous donne le nombre de charges positives (ou protons) dans le noyau.
\(^{16}_{8}O\)
Le symbole nous indique qu'il s'agit d'un atome d'oxygène, le nombre seize indiquant que l'oxygène 16 a seize particules dans son noyau.
Le nombre huit nous donne le nombre de charges positives dans le noyau.
Obtenir la charge électrique
Pour obtenir la charge électrique, il faut multiplier le nombre de particules chargées par la valeur de la charge, comme l'illustrent les exemples suivants.
Calcule la charge totale d'un noyau d'hélium.
\(^{4}_{2}He\)
Nous devons multiplier la charge d'un proton par le nombre total de protons dans le noyau. La charge du proton est égale à \(1,6022 \cdot 10 ^ {-19}\) coulombs, nous devons donc multiplier le nombre total de protons de l'hélium, qui est de deux, par la valeur de la charge.
\(\text{Charge totale} = 2 \cdot (1.6022 \cdot 10^{-19} C) = 3.2044 \cdot 10^{-19} C\)
Calcule la charge totale d'un anion de carbone avec huit électrons.
Un anion est un atome chargé négativement. Un atome de carbone a normalement six électrons, mais dans ce cas, nous avons affaire à un atome qui a deux électrons supplémentaires et donc un total de huit. Ces électrons supplémentaires donnent à l'atome une charge totale négative.
Pour obtenir la charge totale, nous devons multiplier la valeur de la charge électronique par les électrons supplémentaires. La charge électronique est de \(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\) coulombs. La charge totale est donc \(-1,6022 \cdot 10 ^{-19}\) coulombs multipliée par deux.
\(\text{Charge totale} = 2 \cdot (-1.6022 \cdot 10^{-19} C) = -3.2044 \cdot 10^{-19} C\)
Comme tu peux le voir dans ces exemples, la magnitude de la charge d'un électron et d'un proton est la même. La seule différence entre eux est le signe moins.
Pour obtenir le nombre de protons dans le noyau sans avoir la notation du nucléide, tu dois consulter le tableau périodique des éléments. Le numéro atomique t'indique le nombre de protons dans le noyau de l'atome.
Obtention de la masse
Pour obtenir la masse totale des particules, nous devons multiplier la valeur de la masse des protons et des neutrons par le nombre de protons et de neutrons dans l'atome. La masse de l'électron est si petite que nous n'avons pas besoin de la calculer. La masse approximative des protons et des neutrons est de \(1,67 \cdot 10 ^ {-27}kg\), bien que les neutrons soient légèrement plus lourds.
Obtenir la charge spécifique
Après avoir obtenu la charge totale et la masse totale de la particule, il suffit de diviser la charge totale par la masse totale, comme dans l'exemple suivant.
Calcule la charge spécifique d'un noyau de carbone 12.
\(^{12}_{6}C\)
Pour calculer la charge spécifique, on multiplie d'abord la charge d'un proton par le nombre total de protons, qui est de six dans le cas d'un atome de carbone.
\(\text{Charge totale} = 6 \cdot (1.6022 \cdot 10^{-19} C) = 9.6132 \cdot 10^{-19} C\)
Maintenant, nous multiplions la masse des particules qui composent le noyau par le numéro de la particule, qui dans ce cas est douze.
\(\text{Charge totale} = 12 \cdot (1.67 \cdot 10^{-27} kg) = 20.04 \cdot 10^{-27} kg\)
Enfin, tu dois diviser les deux quantités.
\(\text{Charge spécifique} = \frac{\text{Charge électrique}}{\text{Masse de la particule}} = 4,79701 \cdot 10^7 \space C/kg\)
Charge spécifique - Points clés
- La charge spécifique d'un atome est le rapport entre sa charge électrique et sa masse.
- La charge électrique des électrons et des protons est la même, mais celle des électrons est négative.
- La masse des électrons est plus petite que celle des protons et des neutrons.
- Une particule chargée positivement est appelée cation, tandis qu'une particule chargée négativement est appelée anion.
- Les neutrons n'ajoutent aucune charge à l'atome ; ils ne font qu'ajouter de la masse.
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