Le numéro atomique est le nombre de protons – particules chargées positivement – dans le noyau d’un atome d’un élément chimique. Les éléments se distinguent les uns des autres par le nombre de ces particules qu’ils possèdent, et donc chaque élément a son propre numéro atomique unique. Les propriétés chimiques d’un élément sont déterminées par son nombre d’électrons, mais dans un atome neutre, c’est le même que le nombre de protons. Cependant, les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons pour former des ions chargés négativement ou positivement, de sorte que le numéro atomique est défini comme le nombre de protons, car il est toujours le même pour un élément donné.
Numéro atomique, numéro de masse et poids atomique
Il est possible de confondre ces valeurs, mais elles sont bien distinctes les unes des autres. Les atomes sont constitués d’un noyau contenant des protons chargés positivement et des neutrons électriquement neutres, avec des électrons en orbite à une certaine distance. Les protons et les neutrons sont relativement lourds et de poids similaire, mais les électrons sont beaucoup plus légers et contribuent très peu au poids d’un atome. Le nombre de masse d’un atome est le nombre de protons plus le nombre de neutrons et est presque égal au poids de l’atome.
Le nombre de neutrons dans un élément peut varier. Les formes d’un élément avec différents nombres de neutrons sont appelées isotopes. Par exemple, la forme la plus courante de l’hydrogène a un proton et aucun neutron, mais il existe deux autres isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, avec respectivement un et deux neutrons. Les éléments naturels sont souvent des mélanges de différents isotopes. Le carbone est un autre exemple, composé d’isotopes de masse 12, 13 et 14. Ils ont tous six protons, mais ont respectivement six, sept et huit neutrons.
Bien que les chimistes du 19ème siècle aient établi de bonnes approximations des poids atomiques des éléments connus, les calculs précis ne sont pas toujours simples, en raison de la présence de différents isotopes dans des proportions variables. Souvent, le poids atomique est déterminé comme une moyenne, basée sur l’abondance relative des isotopes. Étant donné que certains isotopes sont instables et se transforment au fil du temps en d’autres éléments, les poids atomiques peuvent varier et peuvent être représentés sous la forme d’une plage plutôt que d’une valeur unique. Les isotopes sont généralement représentés par le numéro atomique en bas à gauche du symbole chimique et le nombre de masse, ou poids atomique approximatif, en haut à droite. Par exemple, le carbone 13 serait représenté par 6C13.
Le tableau périodique
Dans les années 1860, le chimiste russe Dimitri Mendeleev a travaillé sur un tableau des éléments connus à cette époque, les répertoriant initialement par ordre de poids atomique et les rangeant en rangées regroupant les éléments ayant des propriétés chimiques similaires. Il avait été remarqué auparavant par d’autres chimistes que les propriétés des éléments, lorsqu’elles étaient ordonnées en poids, avaient tendance à se répéter à des intervalles plus ou moins réguliers. Par exemple, le lithium, le sodium et le potassium sont tous des métaux réactifs qui se combinent avec des non-métaux de manière similaire, tandis que l’hélium, le néon et l’argon sont tous des gaz totalement non réactifs. Pour cette raison, la liste de Mendeleev est devenue connue sous le nom de tableau périodique.
Le premier brouillon de Mendeleev a bien fonctionné, mais il y avait quelques incohérences. Par exemple, classé par ordre de poids, l’iode est venu avant le tellure. Le problème était que cela regroupait l’iode avec l’oxygène, le soufre et le sélénium, et le tellure avec le fluor, le chlore et le brome. D’après leurs propriétés chimiques, l’inverse aurait dû être le cas, donc avant de publier son tableau en 1869, Mendeleev a simplement troqué ces éléments. Ce n’est qu’au début du 20e siècle, cependant, que la raison de ces incohérences a été révélée.
En 1913, le physicien HGJ Moseley établit une relation entre les longueurs d’onde des rayons X produits par différents éléments et leur séquence dans le tableau périodique. Comme la structure de l’atome a été révélée par d’autres expériences à cette époque, il est devenu clair que cette relation dépendait du nombre de protons dans le noyau d’un élément, en d’autres termes, de son numéro atomique. Le tableau périodique pourrait alors être ordonné par ce numéro, mettant les propriétés chimiques observées des éléments sur une base théorique solide. Les incohérences occasionnelles dans le tableau d’origine étaient dues au fait que les variations du nombre de neutrons pouvaient parfois entraîner un élément ayant un poids atomique plus élevé qu’un autre élément avec un numéro atomique plus élevé.
Le tableau périodique moderne montre les éléments dans des cases disposées en lignes et en colonnes, avec un numéro atomique croissant le long de chaque ligne. Chaque colonne regroupe des éléments ayant des propriétés chimiques similaires. Les colonnes sont déterminées par le nombre et la disposition des électrons dans les atomes, qui à son tour sont déterminés par le nombre de protons. Chaque case contient normalement le symbole chimique de l’élément, avec le numéro atomique ci-dessus.