Fiche de révision : Atome et classification périodique

📋 Plan du Cours

1. Constitution de l’atome
2. Nombres quantiques et orbitales
3. Remplissage des orbitales
4. Ions et états électroniques
5. Organisation du tableau périodique
6. Grandes familles chimiques

📖 1. Constitution de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau dense entouré d’électrons négatifs qui occupent un grand volume par rapport à celui du noyau.
• Ion : Atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ; il est appelé cation s’il a perdu des électrons et anion s’il en a gagné.

★ À maîtriser

📌 Le noyau contient des protons chargés positivement et des neutrons électriquement neutres, tandis que les électrons portent une charge négative.

📐 Formule — Pour un nucléide, le nombre de masse vérifie $A = Z + N$, où A est le nombre de nucléons, Z le nombre de protons et N le nombre de neutrons.

Compléments

• La charge élémentaire vaut $e = 1{,}6 \times 10^{-19}\ \mathrm{C}$ ; la masse de l’électron est $9{,}1 \times 10^{-31}\ \mathrm{kg}$ et celles du proton et du neutron sont environ 1835 fois supérieures à celle de l’électron.

💡 Astuce mémo

Noyau positif, électrons négatifs : masse au centre, volume autour

📖 2. Nombres quantiques et orbitales

★ À maîtriser

• Le nombre quantique principal n est un entier positif de 1 à 7 qui définit la couche électronique et permet d’accueillir au maximum $2n^2$ électrons.

• Le nombre quantique secondaire l définit la sous-couche et prend les valeurs de 0 à n−1 ; l = 0 correspond à s, l = 1 à p, l = 2 à d et l = 3 à f.

• Le nombre quantique de spin s ne peut prendre que les deux valeurs +½ et −½.

Compléments

• Le nombre quantique magnétique mₗ prend les valeurs entières de −l à +l et possède donc $2l+1$ valeurs possibles.

• Une orbitale s existe pour n ≥ 1, une orbitale p pour n ≥ 2 et une orbitale d pour n ≥ 3.

💡 Astuce mémo

n → l → mₗ → s : couche, sous-couche, orientation, spin

📖 3. Remplissage des orbitales

★ À maîtriser

📌 À l’état fondamental, les électrons occupent en priorité les orbitales de plus basse énergie selon le principe de stabilité.

• Le remplissage électronique suit la règle de Klechkowski, fondée sur l’ordre croissant de n+l ; ainsi, 4s se remplit avant 3d.

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques ; une orbitale contient donc au maximum deux électrons de spins opposés.

📌 La règle de Hund impose que les électrons d’une même sous-couche occupent d’abord le plus grand nombre possible d’orbitales avec des spins parallèles avant leur appariement.

Compléments

• Les éléments concernés par ces exceptions sont:
  • le chrome
  • le cuivre
  • le molybdène
  • l’argent
  • l’or

💡 Astuce mémo

Énergie minimale → Klechkowski → Pauli → Hund

📖 4. Ions et états électroniques

★ À maîtriser

• Lorsqu’un atome reçoit de l’énergie, un électron périphérique passe à un niveau supérieur puis restitue de l’énergie, souvent sous forme de lumière, en revenant à l’état fondamental.

📌 Pour former un anion, l’atome gagne des électrons afin de compléter sa dernière couche, tandis que pour former un cation il perd les électrons de la couche ayant le nombre n le plus élevé.

Compléments

• Dans le carbone, la promotion d’un électron de 2s vers 2p à l’état excité permet de rendre compte de la formation de quatre liaisons.

• Le fluor gagne un électron selon F : 1s² 2s² 2p⁵ → F⁻ : 1s² 2s² 2p⁶, tandis que le lithium perd un électron selon Li : 1s² 2s¹ → Li⁺ : 1s².

• Les sous-couches d incomplètes à partir du scandium, de numéro atomique Z = 21, permettent aux éléments concernés de former des cations avec plusieurs degrés d’oxydation.

💡 Astuce mémo

Apport d’énergie → excitation ; perte ou gain d’électrons → ion

📖 5. Organisation du tableau périodique

★ À maîtriser

• La classification périodique comporte 7 périodes et 18 colonnes, et le numéro atomique Z croît de gauche à droite dans une période et de haut en bas dans une colonne.

📌 Les éléments d’une même période possèdent la même valeur du nombre quantique principal n, tandis que ceux d’une même colonne ont la même configuration électronique externe et souvent des propriétés chimiques voisines.

• Les éléments sont répartis en blocs s, p, d et f selon la sous-couche en cours de remplissage.

Compléments

• Les configurations externes caractéristiques sont ns¹ et ns² pour le bloc s, ns²npˣ pour le bloc p, (n−1)dˣnsʸ pour le bloc d et (n−2)fˣ(n−1)dʸns² pour le bloc f.

📌 Les métaux occupent les blocs s sauf l’hydrogène, d et f, les semi-métaux comprennent notamment le silicium et le germanium, et les non-métaux se trouvent principalement dans la seconde moitié du bloc p.

💡 Astuce mémo

Même période : même n ; même colonne : même configuration externe

📖 6. Grandes familles chimiques

★ À maîtriser

• Les alcalins de la colonne 1 ont une configuration externe ns¹ et forment facilement des ions M⁺, tandis que les alcalino-terreux de la colonne 2 ont ns² et forment facilement des ions M²⁺.

• Le carbone de la colonne 14 possède une configuration externe ns²np² et s’associe notamment à l’hydrogène et à l’oxygène pour former CH₄ et CO₂.

• Les éléments de la colonne 15 ont une configuration externe ns²np³ ; l’azote et le phosphore peuvent perdre 5 électrons ou gagner 3 électrons.

• Les chalcogènes de la colonne 16 ont une configuration externe ns²np⁴ et forment facilement les ions O²⁻ et S²⁻.

• Les halogènes de la colonne 17 ont une configuration externe ns²np⁵ et donnent facilement des ions X⁻ appelés halogénures.

• Les gaz rares de la colonne 18 ont des couches électroniques saturées à l’état fondamental, sont peu réactifs et servent souvent à créer une atmosphère inerte.

Compléments

• Les sels de sodium et de potassium sont tous solubles en milieu aqueux, et Na⁺ et K⁺ sont importants en biologie.

• Le dioxygène est un gaz incolore, inodore et insipide dont la solubilité dans l’eau est de 9,2 mg·L⁻¹ à 20 °C et 1 atm.

💡 Astuce mémo

AATCCHG : alcalins, alcalino-terreux, carbone, azote, chalcogènes, halogènes, gaz rares

📊 Tableaux de synthèse

Classification des grandes familles