Biologie pour les majors I

Pour comprendre comment les éléments s’assemblent, nous devons d’abord discuter du plus petit composant ou élément constitutif d’un élément, l’atome. Un atome est la plus petite unité de matière qui conserve toutes les propriétés chimiques d’un élément. Par exemple, un atome d’or possède toutes les propriétés de l’or en ce sens qu’il s’agit d’un métal solide à température ambiante. Une pièce d’or est simplement un très grand nombre d’atomes d’or moulés en forme de pièce et contenant de petites quantités d’autres éléments appelés impuretés. Les atomes d’or ne peuvent pas être décomposés en quelque chose de plus petit tout en conservant les propriétés de l’or.

Un atome est composé de deux régions : le noyau, qui se trouve au centre de l’atome et contient des protons et des neutrons, et la région la plus extérieure de l’atome qui contient ses électrons en orbite autour du noyau, comme l’illustre la figure 1. Les atomes contiennent des protons, des électrons et des neutrons, entre autres particules subatomiques. La seule exception est l’hydrogène (H), qui est constitué d’un proton et d’un électron, sans neutrons.

Figure 1. Les éléments, comme l’hélium, représenté ici, sont constitués d’atomes. Les atomes sont constitués de protons et de neutrons situés dans le noyau, avec des électrons dans des orbitales entourant le noyau.

Les protons et les neutrons ont approximativement la même masse, environ 1,67 × 10-24 grammes. Les scientifiques définissent arbitrairement cette quantité de masse comme une unité de masse atomique (amu) ou un Dalton, comme le montre le tableau 1. Bien que leur masse soit similaire, les protons et les neutrons diffèrent par leur charge électrique. Un proton est chargé positivement alors qu’un neutron n’est pas chargé. Par conséquent, le nombre de neutrons dans un atome contribue de manière significative à sa masse, mais pas à sa charge. Les électrons ont une masse beaucoup plus faible que les protons, puisqu’ils ne pèsent que 9,11 × 10-28 grammes, soit environ 1/1800 d’une unité de masse atomique. Ils ne contribuent donc pas beaucoup à la masse atomique globale d’un élément. Par conséquent, lorsqu’on considère la masse atomique, il est d’usage d’ignorer la masse des électrons et de calculer la masse de l’atome sur la base du seul nombre de protons et de neutrons. Bien qu’ils ne contribuent pas de manière significative à la masse, les électrons contribuent grandement à la charge de l’atome, car chaque électron a une charge négative égale à la charge positive d’un proton. Dans les atomes neutres et non chargés, le nombre d’électrons en orbite autour du noyau est égal au nombre de protons à l’intérieur du noyau. Dans ces atomes, les charges positives et négatives s’annulent, ce qui conduit à un atome sans charge nette.

En tenant compte de la taille des protons, des neutrons et des électrons, la majeure partie du volume d’un atome – plus de 99 % – est, en fait, un espace vide. Avec tout cet espace vide, on peut se demander pourquoi les objets dits solides ne passent pas simplement les uns à travers les autres. La raison pour laquelle ils ne le font pas est que les électrons qui entourent tous les atomes sont chargés négativement et que les charges négatives se repoussent.

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Nombre et masse atomiques

Les atomes de chaque élément contiennent un nombre caractéristique de protons et d’électrons. Le nombre de protons détermine le numéro atomique d’un élément et sert à distinguer un élément d’un autre. Le nombre de neutrons est variable, ce qui donne lieu à des isotopes, qui sont des formes différentes du même atome ne variant que par le nombre de neutrons qu’ils possèdent. Ensemble, le nombre de protons et le nombre de neutrons déterminent le numéro de masse d’un élément, comme l’illustre la figure 2. Notez que la faible contribution de la masse des électrons n’est pas prise en compte dans le calcul du nombre de masse. Cette approximation de la masse peut être utilisée pour calculer facilement le nombre de neutrons d’un élément en soustrayant simplement le nombre de protons du nombre de masse. Étant donné que les isotopes d’un élément ont des numéros de masse légèrement différents, les scientifiques déterminent également la masse atomique, qui est la moyenne calculée du numéro de masse de ses isotopes naturels. Souvent, le nombre obtenu contient une fraction. Par exemple, la masse atomique du chlore (Cl) est de 35,45 car le chlore est composé de plusieurs isotopes, certains (la majorité) ayant une masse atomique de 35 (17 protons et 18 neutrons) et d’autres ayant une masse atomique de 37 (17 protons et 20 neutrons).

Question pratique

Le carbone a un numéro atomique de six, et deux isotopes stables avec des numéros de masse de douze et treize, respectivement. Sa masse atomique est de 12,11.

Figure 2. Le carbone-12 et le carbone-13

Combien de neutrons possèdent respectivement le carbone-12 et le carbone-13 ?

Montrer la réponse

Le carbone-12 possède six neutrons. Le carbone-13 a sept neutrons.