Fiche de révision : Atome et propriétés périodiques

📋 Plan du Cours

1. Découverte des constituants atomiques
2. Structure et notation de l’atome
3. Organisation du tableau périodique
4. Couches et orbitales électroniques
5. Règles de remplissage électronique
6. Configurations des ions
7. Électrons de cœur et de valence
8. Blocs et familles chimiques
9. Propriétés périodiques des éléments

📖 1. Découverte des constituants atomiques

★ À maîtriser

• Les expériences de J. J. Thomson menées en 1897 ont montré que les atomes émettent des particules chargées négativement, identifiées comme des électrons, et ont permis de déterminer le rapport charge/masse de l’électron. — J.J. Thomson

• L’expérience de Millikan a déterminé la charge de l’électron en observant le mouvement de gouttelettes d’huile accélérées par un champ électrique.

• L’électron possède une masse de 9,110.10^-31 kg et une charge de -1,602.10^-19 C.

• L’expérience de Rutherford menée en 1911 a montré que la majorité des particules traversent une feuille d’or sans déviation, tandis que 0,01 % sont déviées, ce qui révèle que la matière est essentiellement vide et contient des particules positives appelées protons.

Compléments

• Leucippe et son disciple Démocrite ont défendu dès l’Antiquité la théorie atomiste, selon laquelle la matière est constituée d’atomes.

• La découverte du neutron a été préparée par plusieurs séries d’expériences:

  • W. Bothe en 1930
  • I. et F. Joliot-Curie en 1931
  • J. Chadwick en 1932

💡 Astuce mémo

Thomson → Millikan → Rutherford → Chadwick

📖 2. Structure et notation de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de masse : Le nombre total de nucléons d’un noyau, égal à la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N : A = Z + N.
• Numéro atomique : Le nombre de protons du noyau et détermine la position de l’élément dans la classification périodique.
• Ion : Un élément qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons ; un cation est positif et un anion est négatif.
• Isotopes : Lorsqu’ils possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.

📝 Points essentiels

• Les isotopes carbone 12 et carbone 13 possèdent tous deux Z = 6, mais le carbone 12 contient 6 neutrons et le carbone 13 en contient 7.

💡 Astuce mémo

Z identifie l’élément, A dénombre les nucléons

📖 3. Organisation du tableau périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : Une ligne du tableau périodique et correspond à une valeur du nombre quantique principal n.
• Famille : Une colonne du tableau périodique regroupant des éléments aux propriétés similaires.

★ À maîtriser

• La classification actuelle contient 103 éléments classés par numéro atomique Z croissant.

• Les gaz rares occupent la dernière colonne du tableau périodique et sont très stables chimiquement et inertes.

Compléments

• Mendeleïev a classé en 1869 les 63 éléments connus selon leur masse atomique croissante et leurs propriétés physiques et chimiques similaires. — Mendeleiv

📖 4. Couches et orbitales électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitales dégénérées : Deux orbitales possèdent la même énergie ; les orbitales 2px, 2py et 2pz sont dégénérées.

📝 Points essentiels

• Les électrons sont répartis sur des couches électroniques notées K, L et M, de la plus proche à la plus éloignée du noyau.

• La couche K contient une orbitale 1s, la couche L contient une orbitale 2s et trois orbitales 2p, et la couche M contient une orbitale 3s, trois orbitales 3p et cinq orbitales 3d.

📌 Chaque orbitale atomique, ou case quantique, peut contenir au maximum deux électrons.

💡 Astuce mémo

Des couches K, L, M entourent le noyau comme des étages électroniques

📖 5. Règles de remplissage électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe de stabilité : Dans l’état fondamental, les électrons sont arrangés de façon à minimiser la somme de leurs énergies.

📝 Points essentiels

• La règle de Klechkowski classe les orbitales par énergie croissante et impose l’ordre de remplissage 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p.

• Le principe d’exclusion de Pauli impose que chaque orbitale contienne au maximum deux électrons de spins opposés.

• La règle de Hund impose, parmi des orbitales dégénérées, l’occupation du nombre maximal d’orbitales avec un état de spin maximum.

💡 Astuce mémo

Klechkowski → Pauli → Hund

📖 6. Configurations des ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèces isoélectroniques : Des espèces possèdent la même configuration électronique ; Ne, F− et Na+ ont ainsi la configuration 1s2 2s2 2p6.

📝 Points essentiels

• L’ion Na+ possède la configuration électronique 1s2 2s2 2p6, identique à celle du gaz rare de la période précédente, le néon.

💡 Astuce mémo

Un anion gagne des électrons, un cation en perd

📖 7. Électrons de cœur et de valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de cœur : Proches du noyau, fortement liés à celui-ci et représentables par la configuration électronique du gaz rare précédent.
• Électrons de valence : Les électrons périphériques, faiblement liés au noyau, qui participent à la formation des liaisons.

📝 Points essentiels

📌 Les électrons de valence correspondent aux électrons des orbitales de nombre quantique principal n le plus élevé et aux électrons des orbitales n−1 non remplies.

• Le soufre possède la configuration [Ne] 3s2 3p4 ; ses électrons de valence sont ceux des orbitales 3s et 3p.

💡 Astuce mémo

Cœur fortement lié, valence disponible pour les liaisons

📖 8. Blocs et familles chimiques

★ À maîtriser

• Le bloc s comprend les colonnes 1 et 2, le bloc p les colonnes 13 à 18, le bloc d les colonnes 3 à 12 et le bloc f les lanthanides et les actinides.

• Les alcalins de la colonne 1 ont une configuration de valence ns1, forment facilement des cations M+ et sont fortement réducteurs.

• Les alcalino-terreux de la colonne 2 ont une configuration de valence ns2 et forment facilement des cations M2+.

• Les halogènes de la colonne 17 ont une configuration ns2np5, captent facilement un électron, forment des anions X− stables et sont de bons oxydants.

Compléments

• Les gaz rares de la colonne 18 possèdent une couche de valence saturée ns2np6 et présentent très peu d’interactions entre leurs atomes.

💡 Astuce mémo

s–p–d–f : les quatre blocs électroniques

📖 9. Propriétés périodiques des éléments

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon de Van der Waals : La moitié de la distance minimale à laquelle deux atomes d’un même élément peuvent se rapprocher sans se lier.
• Rayon covalent : La moitié de la distance entre les noyaux de deux atomes liés du même élément.
• Énergie d’ionisation : L’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome isolé gazeux.
• Affinité électronique : L’énergie récupérée lorsqu’un électron se fixe sur un atome X selon la réaction X + e− → X−.
• Électronégativité : La capacité plus ou moins grande d’un atome à attirer vers lui le doublet de la liaison dans laquelle il est impliqué.

★ À maîtriser

• Le rayon atomique diminue du premier au dernier élément d’une période et augmente avec Z dans une même colonne.

• L’énergie d’ionisation augmente du premier au dernier élément d’une période, diminue avec Z dans une même colonne et augmente progressivement pour les ionisations successives d’un élément.

• Dans une liaison hétéronucléaire A–B, l’atome le plus électronégatif porte une charge partielle négative δ− et l’autre une charge partielle positive δ+ ; dans une liaison homonucléaire A–A, le doublet est réparti également.

• L’électronégativité augmente de gauche à droite dans une période et diminue de haut en bas dans une colonne ; les éléments les plus électronégatifs se trouvent en haut à droite du tableau.

Compléments

• Les éléments des colonnes 2, 12 et 18 ont une affinité électronique nulle car leurs sous-couches ns2, nd10 ou np6 sont complètement saturées, tandis que les halogènes ont les affinités électroniques les plus grandes.

💡 Astuce mémo

Structure électronique périodique → propriétés chimiques périodiques

📊 Tableaux de synthèse

Principales familles chimiques