Rappels de physique/chimie: Charges électriques
La structure de l’atome
Atomes
Tout ce qui existe est constitué d’atomes — toute vie, toute matière.
Chaque atome est constitué de différentes particules:
-
des protons et des neutrons densément serrés les uns contre les autres au centre de l’atome.
Ces éléments sont appelés des nucléons puisqu’ils constituent le noyau de l’atome (noyau: nucleus en latin). -
des électrons, qui gravitent autour de ce noyau.
La masse d’un neutron est approximativement de 1,6749274 ⋅ 10-27 kg.
La masse d’un proton ≃ 1.6726218 ⋅ 10-27 kg.
Et la masse d’un électron ≃ 9,109 ⋅ 10−31 kg.
Grandeurs physiques: Force & Mass
Protons
Chaque élément chimique a un nombre de protons qui lui est propre. Par exemple, un atome ayant un seul proton est un atome d’hydrogène, un atome avec 29 protons est un atome de cuivre et un atome avec 94 protons est un atome de plutonium. Ce nombre de protons est ce qu’on appelle le numéro atomique de l’atome.
Numéros atomiques: Tableau périodique des éléments
Neutrons
Les neutrons gardent les protons à l’intérieur du noyau (grâce à la force nucléaire forte).
Le nombre de protons (Z) et de neutrons (N) constituent le nombre de nucléons ou nombre de masse de l’atome (A = Z + N).
Isotopes
Des atomes qui ont le même numéro atomique mais un nombre de masse différent — autrement dit, des atomes de même type mais qui n’ont pas le même nombre de neutrons — sont appelés des isotopes. Par exemple, l’hydrogène a trois isotopes:
Chaque isotope est représenté par un symbole 
- son symbole chimique M (H, He, Li, etc.)
- son nombre de masse A
- son numéro atomique Z
Par exemple, 
est un atome de carbone avec 14 nucléons et 6 protons.
Le numéro atomique est souvens omis, car redondant: 14C (un atome de carbone a forcement 6 protons).
Ou on représente parfois les isotopes par leur nom suivi de leur nombre de masse: carbone-14, oxygène-18, fer-56, etc.
Radioactivité
La différence de masse entre isotopes affecte l’énergie cinétique des atomes et des molécules. Ainsi, certains isotopes sont radioactifs — les neutrons supplémentaires du noyau rendent l’atome instable, il se peut alors que l’atome se désintègre. Lorsqu’un atome se désintègre, il émet un rayonnement électromagnétique à haute fréquence: un rayonnement gamma. C’est ce qu’on appelle une fission nucléaire.
Video: Comment mesurer l’âge des choses grâce au Carbone-14
Électrons
Un atome de cuivre a 29 protons et est entouré d’autant d’électrons, autrement dit 29.
Les életrons orbitent autour du noyau, non pas à n’importe quelle distance, mais sur des couches électriques.
Chaque couche a un nombre maximal d’électrons, comme suit:
- La couche K (commune à tous les éléments chimiques) est la couche la plus proche du noyau. Elle possède jusqu’à deux électrons.
- La couche L: jusqu’à 8 électrons
- La couche M: 18 électrons
- Les couches N, O, P et Q: jusqu’à 32 électrons
Les charges électriques
Charges électriques
La charge est une propriété fondamentale de la matière — au même titre que la masse, le volume ou la densité. On peut la mesurer (avec un électromètre).
- Les protons sont chargés positivement.
- Les électrons négativement.
- Les neutrons sont neutres — ils n’ont pas de charge.
Le fait que ce soit le proton qui soit positif et l’électron négatif est une convention, fixée de manière arbitraire. Ce qui importe c’est la manière dont ils interagissent.
Charges élémentaires
Les électrons et les protons portent une charge de même intensité, mais de type différent.
Un proton sera autant attiré par un électron à une distance donnée qu’un électron par un proton.
Protons comme électrons possèdent la charge la plus petite qui existe dans la nature, on dit qu’il s’agit de charges élémentaires (notées e+ et e-).
Champ
Un champ est un outil que l’on utilise pour modéliser des interactions physiques qui n’impliquent aucun contact observable. Les champs ne peuvent pas être vus car ils n’ont pas d’apparence physique, mais l’effet qu’ils ont est très réel.
Le champ gravitationnel — l’effet d’un objet ayant une masse sur un autre objet ayant une masse — est probablement celui qu’on connaît le plus. On est attiré par la terre parce que la terre a une masse et nous aussi.
Le champ gravitationnel de la Terre peut être modélisé à l’aide d’un ensemble de vecteurs pointant tous les vers le centre de la planète — peu importe où vous vous trouvez à la surface de la Terre, vous sentirez la force vous pousser vers elle.
Champ électrique
De la même manière que les champs gravitationnels exercent une force sur les objets ayant une masse, les champs électriques exercent une force sur les objets ayant une charge.
Alors que les champs gravitationnels attirent deux objets entre eux, les champs électriques peuvent attirer ou repousser: les charges de signes opposés s’attirent tandis que les charges de même signe se repoussent.
Électrons de valence
La force (ou intensité) des champs n’est pas uniforme en tout points.
Plus on s’éloigne de la source du champ, plus son effet s’atténue.
Les électrons les plus proches du noyau ressentent une attraction beaucoup plus forte vers le centre que ceux qui se trouvent sur des orbites plus éloignées. Les électrons les plus à l’extérieur d’un atome sont appelés électrons de valence et avec suffisamment de force extérieure (soit en le repoussant avec une autre charge négative, soit en l’attirant avec une charge positive), un électron de valence peut s’échapper de l’orbite de l’atome et devenir un électron libre.
Sens du champ électrique
Par convention, la direction d’un champ électrique est toujours définie comme la direction dans laquelle une charge positive se déplacerait si elle était placée dans le champ, donc du positif vers négatif.
Ion
Un atome a une charge neutre, puisqu’il a autant de protons que d’électrons. En revanche, s’il gagne ou perd un électron (voire plusieurs), l’atome devient chargé électriquement. On ne parle alors plus d’atome mais d’ion.
Un ion est représenté par son symbolique chimique, suivit de sa charge électrique en exposant: Cu2+.
Un ion avec une charge négative s’appelle un anion.
Un ion avec une charge positive s’appelle un cation.