Fiche de révision : Atome et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Constitution et charge de l’atome
2. Nombres quantiques et orbitales
3. Configurations électroniques fondamentales
4. Classification périodique des éléments
5. Ions et états électroniques
6. Propriétés des éléments et hydrogène

📖 1. Constitution et charge de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau dense entouré d’électrons de charge électrique négative qui occupent un volume beaucoup plus grand que celui du noyau.

★ À maîtriser

📐 Formule — 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.

📌 Un cation est un atome qui a perdu un ou plusieurs électrons, tandis qu’un anion est un atome qui en a gagné un ou plusieurs.

Compléments

• Le proton porte une charge de +1,6.10^-19 C, l’électron une charge de -1,6.10^-19 C et le neutron une charge nulle.

💡 Astuce mémo

Noyau positif massif, électrons négatifs périphériques

📖 2. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Entier positif compris entre 1 et 7 qui définit la couche électronique et permet d’accueillir au maximum 2n² électrons.
• Nombre quantique azimutal : Définit la sous-couche et caractérise l’orbitale atomique, avec une valeur comprise entre 0 et n−1.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre maximal d’électrons d’une couche de nombre quantique principal n vérifie $N_{e^-}=2n^2$.

Compléments

• Les valeurs l = 0, 1, 2 et 3 correspondent respectivement aux sous-couches s, p, d et f.

• Le nombre quantique magnétique m_l varie de −l à +l et possède 2l + 1 valeurs, tandis que le nombre quantique de spin s ne peut valoir que +1/2 ou −1/2.

💡 Astuce mémo

n couche → l sous-couche → m orientation → s spin

📖 3. Configurations électroniques fondamentales

★ À maîtriser

📌 À l’état fondamental, les électrons occupent d’abord les couches et sous-couches de plus basse énergie selon le principe de stabilité.

• 🔄 Le remplissage suit l’ordre énergétique suivant:
  1. 1s
  2. 2s
  3. 2p
  4. 3s
  5. 3p
  6. 4s
  7. 3d
  8. 4p

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

📌 La règle de Hund impose de remplir au maximum les orbitales d’une même sous-couche avec des spins parallèles avant de les compléter avec des spins opposés.

Compléments

• Les sous-couches s, p, d et f peuvent contenir respectivement 2, 6, 10 et 14 électrons.

💡 Astuce mémo

Énergie minimale → Klechkowski → Pauli → Hund

📖 4. Classification périodique des éléments

★ À maîtriser

• La classification périodique comporte 7 périodes correspondant aux couches électroniques et 18 colonnes appelées familles.

📌 Les éléments d’une même période possèdent la même valeur du nombre quantique principal n.

📌 Les éléments d’une même colonne ont la même configuration électronique externe et présentent souvent des propriétés chimiques similaires.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Période = même n ; colonne = même configuration externe

📖 5. Ions et états électroniques

★ À maîtriser

• Les configurations nd⁵ et nd¹⁰ sont particulièrement stables, ce qui explique les exceptions du chrome Z = 24 et du cuivre Z = 29.

• Pour former un anion, un atome ajoute un ou plusieurs électrons à sa dernière couche afin de se rapprocher de la configuration d’un gaz rare.

• Pour former un cation, l’atome arrache d’abord les électrons de la couche ayant le nombre quantique principal n le plus élevé.

Compléments

• Le fluor possède la configuration 1s² 2s² 2p⁵ et devient F⁻ en gagnant un électron pour atteindre 1s² 2s² 2p⁶, configuration isoélectronique du néon.

• Le fer possède la configuration [Ar] 3d⁶ 4s², devient Fe²⁺ après perte des deux électrons 4s et devient Fe³⁺ après perte supplémentaire d’un électron 3d.

• 🔄 Une excitation électronique se déroule ainsi:

  1. Apport d’énergie
  2. Passage des électrons vers un niveau supérieur
  3. Retour à l’état fondamental
  4. Restitution d’énergie sous forme de lumière

💡 Astuce mémo

Perte d’électrons → cation ; gain d’électrons → anion

📖 6. Propriétés des éléments et hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrogène : Élément particulier de configuration 1s¹, gazeux sous forme H₂ à 25 °C, qui peut gagner un électron pour former H⁻ ou en perdre un pour former H⁺.

★ À maîtriser

• Les métaux appartiennent aux blocs s, d et f, sauf l’hydrogène, et sont solides à 25 °C à l’exception du mercure, liquide à cette température.

• Les métaux sont de bons conducteurs de la chaleur et de l’électricité, tandis que les non-métaux sont généralement de mauvais conducteurs et des isolants électriques, sauf le carbone graphite.

Compléments

• Les semi-métaux ont un comportement de semi-conducteurs, comme le silicium Z = 14 et le germanium Z = 32.

📌 L’hydrogène se combine avec tous les éléments sauf les gaz rares ; avec les non-métaux et semi-métaux, il forme des composés hydrogénés, et avec les métaux, des hydrures.

💡 Astuce mémo

Métaux conducteurs, non-métaux isolants, semi-métaux semi-conducteurs

📊 Tableaux de synthèse

Particules de l’atome

Types d’éléments