Fiche de révision : Atomes et molécules

📋 Plan du Cours

1. Modèle quantique et nombres quantiques
2. Constitution et classification des espèces
3. Configuration électronique des atomes
4. Classification périodique
5. Propriétés périodiques et ionisation
6. Liaisons chimiques et modèle de Lewis
7. Modèle de Lewis et valence
8. Modèle de Lewis et orbitales
9. Géométrie moléculaire par VSEPR
10. Interactions faibles et polarité
11. Nucléides et classification périodique
12. Particules élémentaires et forces
13. Modèles atomiques et énergie
14. Énergies de liaison et électronvolt
15. Transitions électroniques de l’hydrogène
16. Masse nucléaire et unité atomique
17. Défaut de masse et cohésion nucléaire

📅 Repères chronologiques

1. Ve siècle avant J.-C.Démocrite d’Abdère décrit la matière comme discontinue et constituée de petites particules insécables appelées atomes
2. 1803John Dalton propose un modèle dans lequel la matière est constituée d’atomes insécables qui peuvent se combiner pour former des molécules et se réarranger lors des réactions chimiques
3. 1869Mendeleïev propose une classification périodique qui ordonne les éléments par masse atomique croissante
4. 1897Le modèle de Thomson représente l’atome comme des électrons plongés dans une « soupe » de charges positives
5. 1911Rutherford propose un modèle planétaire où les électrons gravitent autour d’un noyau
6. 1911Le modèle de Rutherford décrit un noyau central positif contenant la majeure partie de la masse, autour duquel gravitent des électrons.
7. 1913Bohr postule que les électrons ne peuvent occuper que certaines orbites associées à des niveaux d’énergie constants — Niels Bohr, 1913
8. 1913Le modèle de Bohr indique que les électrons occupent des orbites quantifiées caractérisées par le nombre quantique principal n.

📖 1. Modèle quantique et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Définit une couche électronique et est le seul nombre quantique qui influence l’énergie de l’électron dans l’atome d’hydrogène.
• Nombre quantique secondaire : Définit une sous-couche et prend les valeurs entières de 0 à n−1.
• Fonction d’onde : Décrit l’amplitude de l’onde associée à l’électron, et Ψ² représente la densité de probabilité de trouver l’électron en un point de l’espace.
• Nombre quantique magnétique : Caractérise les niveaux d’énergie d’une même sous-couche et prend 2l+1 valeurs entières comprises entre −l et +l.

📝 Points essentiels

• Un électron est identifié dans un atome par une combinaison unique des quatre nombres quantiques n, l, m et s.

💡 Astuce mémo

Trajectoire classique chez Bohr, probabilité de présence dans le modèle ondulatoire

📖 2. Constitution et classification des espèces

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Ensemble des atomes dont les noyaux contiennent le même nombre de protons Z et le même nombre de neutrons N.
• Isotope : Espèce chimique dont les atomes possèdent le même nombre de protons Z mais un nombre de neutrons N différent.

★ À maîtriser

📌 Un corps composé contient au moins deux éléments chimiques différents dans des proportions définies, tandis qu’un mélange rassemble des substances simplement mêlées et non reliées par des liaisons chimiques.

📌 Une molécule est un groupe indépendant d’atomes liés sans charge globale, tandis qu’un ion est un atome ou un groupe d’atomes liés chargé positivement ou négativement.

Compléments

• Le chlore naturel est constitué de 75,4 % de ³⁵Cl avec N=18 et de 24,6 % de ³⁷Cl avec N=20.

💡 Astuce mémo

Nucléide : Z et N ; élément : Z seul

📖 3. Configuration électronique des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Décrit la distribution des Z électrons d’un atome entre les couches, les sous-couches et les cases quantiques.

★ À maîtriser

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir la même combinaison des quatre nombres quantiques et limite à deux électrons de spins opposés le contenu d’une case quantique.

• La règle de Klechkowski impose l’ordre de remplissage énergétique 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s.

• La règle de Hund impose de placer d’abord un électron dans chaque case quantique de même énergie avant d’apparier les électrons.

Compléments

• Pour établir une configuration électronique fondamentale, on remplit progressivement les sous-couches par ordre croissant d’énergie jusqu’à placer les Z électrons de l’atome.

💡 Astuce mémo

Klechkowski remplit, Pauli limite, Hund répartit

📖 4. Classification périodique

★ À maîtriser

• La classification périodique moderne contient 118 éléments organisés par numéro atomique Z croissant.

📌 Une période correspond à une ligne du tableau périodique et rassemble des éléments dont les électrons périphériques occupent la même couche principale n, tandis qu’une famille correspond à une colonne dont les éléments ont une configuration externe similaire.

• Les alcalins occupent la colonne 1 sauf l’hydrogène, les alcalino-terreux la colonne 2, les halogènes l’avant-dernière colonne et les gaz nobles la dernière colonne.

Compléments

• Les blocs s, p, d et f comportent respectivement 2, 6, 10 et 14 colonnes, correspondant au nombre maximal d’électrons de leurs sous-couches.

💡 Astuce mémo

Période = couche ; famille = configuration externe

📖 5. Propriétés périodiques et ionisation

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronégativité : Tendance d’un élément à attirer un électron lorsqu’il est associé à d’autres éléments.

★ À maîtriser

• Selon l’échelle de Pauling, l’électronégativité augmente de gauche à droite dans une période et diminue du haut vers le bas dans une famille, le fluor ayant la valeur 4.

📌 Un cation est un ion chargé positivement formé par perte d’un ou plusieurs électrons, tandis qu’un anion est chargé négativement après gain d’électrons.

📌 Les éléments des blocs s et p tendent généralement à gagner ou perdre des électrons afin d’adopter la configuration électronique du gaz noble le plus proche.

Compléments

• Les éléments du bloc d commencent par perdre leurs électrons s de la couche ayant le plus grand nombre quantique principal avant de perdre éventuellement des électrons de la sous-couche (n−1)d.

💡 Astuce mémo

Électronégativité → attraction ou perte d’électrons → formation d’ions

📖 6. Liaisons chimiques et modèle de Lewis

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison covalente : Résulte de la mise en commun d’un doublet d’électrons de valence entre deux atomes.
• Liaison ionique : Résulte d’un transfert intégral d’électrons entre deux éléments d’électronégativités très différentes et repose essentiellement sur l’attraction électrostatique des ions formés.
• Liaison dative : Liaison covalente dont les deux électrons proviennent d’un seul des atomes liés, qui possède un doublet libre, tandis que l’autre possède une lacune électronique.

★ À maîtriser

📌 La règle du duet et de l’octet indique que chaque atome tend à saturer sa couche externe pour acquérir la structure électronique du gaz noble le plus proche, avec 2 électrons pour l’hydrogène et 8 pour de nombreux autres atomes.

Compléments

• Les liaisons multiples résultent de la mise en commun répétée de doublets liants et peuvent être doubles ou triples, comme dans O₂ et N₂.

💡 Astuce mémo

Covalente : partage ; ionique : transfert

📖 7. Modèle de Lewis et valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche de valence : Couche électronique externe, correspondant à la valeur la plus élevée du nombre quantique principal n, et elle joue un rôle essentiel dans les réactions chimiques et la formation des liaisons.

★ À maîtriser

• La représentation de Lewis d’un atome montre son symbole, qui représente le noyau et les électrons internes, entouré uniquement des électrons externes de la couche de valence.

Compléments

• Le modèle de Lewis est une représentation simplifiée de la chimie descriptive qui fonctionne correctement dans environ 95 % des cas.

📖 8. Modèle de Lewis et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Règle du duet et de l’octet : Indique que chaque atome tend, lors de la formation d’une liaison, à saturer sa couche électronique externe pour acquérir la structure du gaz rare le plus proche.

★ À maîtriser

📌 Une liaison dative est une liaison strictement covalente formée à partir de deux électrons fournis par un seul atome, qui possède un doublet libre tandis que l’autre possède une lacune électronique.

📌 Une orbitale moléculaire σ résulte d’un recouvrement axial et permet la libre rotation autour de l’axe internucléaire, tandis qu’une orbitale moléculaire π résulte d’un recouvrement latéral et rigidifie la liaison.

Compléments

• Une liaison dative devient indiscernable des autres liaisons covalentes une fois formée, comme dans l’ion ammonium NH4+.

• Dans le modèle ondulatoire, la molécule formée par deux atomes possédant respectivement n et m orbitales atomiques contient n+m orbitales moléculaires, remplies selon les règles de Hund et de Pauli.

💡 Astuce mémo

Lewis partage les électrons ; le modèle ondulatoire décrit les orbitales.

📖 9. Géométrie moléculaire par VSEPR

★ À maîtriser

• 🔄 La méthode VSEPR suit plusieurs étapes:

  1. Établir la structure de Lewis
  2. Compter les doublets liants et non liants autour de l’atome central
  3. Disposer les doublets à une même distance de l’atome central
  4. Arranger les doublets pour minimiser les répulsions

• Les figures de répulsion dépendent du nombre de doublets:

  • Deux doublets : disposition linéaire à 180°
  • Trois doublets : triangle équilatéral plan à 120°
  • Quatre doublets : tétraèdre à 109,5°
  • Cinq doublets : bipyramide trigonale avec des angles de 90° et 120°
  • Six doublets : octaèdre à 90°

📌 Une molécule AX2E1 ou AX2E2 est coudée, une molécule AX3E1 est une pyramide trigonale, une molécule AX4E1 est en bascule et une molécule AX3E2 est en T.

Compléments

• Dans la méthode VSEPR, les liaisons multiples sont considérées comme des liaisons simples et la formule AXm+p utilise A pour l’atome principal, X pour les atomes liés, m pour leur nombre et p pour le nombre de doublets non liants.

💡 Astuce mémo

Lewis → compter les doublets → minimiser les répulsions → déduire la géométrie.

📖 10. Interactions faibles et polarité

🔑 Notions clés & Définitions

• Forces de London : Interactions universelles dues aux fluctuations de la densité électronique, qui créent un dipôle instantané puis un dipôle induit dans une espèce voisine.
• Forces de Keesom : Interactions d’orientation qui s’établissent entre des molécules polaires portant des dipôles permanents et augmentent avec leur polarité.
• Liaison hydrogène : Interaction entre des molécules polaires contenant un hydrogène lié à un atome électronégatif de petite taille, principalement N, O ou F, et possédant un doublet libre.

★ À maîtriser

📌 Un changement d’état endothermique absorbe de la chaleur et comprend la fusion, la sublimation et la vaporisation, tandis qu’un changement d’état exothermique crée de la chaleur et comprend la liquéfaction, la solidification et la condensation.

Compléments

📌 La vapeur d’eau est invisible, tandis que le brouillard est constitué de gouttelettes d’eau liquide formées par condensation de la vapeur dans l’air.

📌 Dans une même série de composés, la température de fusion ou d’ébullition augmente globalement avec la masse molaire à cause des forces de London.

💡 Astuce mémo

Polarité et taille des nuages électroniques → interactions intermoléculaires → changements d’état.

📖 11. Nucléides et classification périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Espèce de noyau caractérisée par son numéro atomique Z, son nombre de masse A et son état énergétique stable ou instable.

★ À maîtriser

• Un atome est constitué d’un noyau composé de nucléons, eux-mêmes formés de protons et de neutrons, autour duquel gravitent des électrons, avec une grande quantité de vide entre le noyau et les électrons.

• Les isotopes d’un même élément ont un numéro atomique Z constant mais un nombre de neutrons N différent, ce qui modifie aussi leur nombre de masse A.

• L’iode naturel possède Z = 53, N = 74 et A = 127, tandis que ses isotopes 123I, 125I et 131I sont utilisés respectivement pour l’imagerie thyroïdienne, le dosage biologique et la radiothérapie métabolique des cancers de la thyroïde.

Compléments

• À 20 °C et 1 atm, seuls le mercure et le brome sont liquides parmi les éléments, tandis que la plupart sont solides et métalliques.

💡 Astuce mémo

Z fixe l’élément ; N variable distingue les isotopes.

📖 12. Particules élémentaires et forces

★ À maîtriser

📌 Les fermions comprennent six leptons et six quarks ; dans la matière ordinaire, seuls l’électron et le neutrino électronique parmi les leptons, ainsi que les quarks up et down, sont présents.

• Les hadrons sont des particules blanches constituées de quarks et se divisent en baryons formés de trois quarks, comme les nucléons, et en mésons formés d’un quark et d’un antiquark de nature différente.

• Le proton est constitué de deux quarks up et d’un quark down, tandis que le neutron est constitué de deux quarks down et d’un quark up.

📌 Une antiparticule possède la même masse et des caractéristiques physiques identiques à sa particule, mais une charge opposée ; le positon est l’antiparticule de l’électron.

• Les quatre forces d’interaction sont:

  • Force gravitationnelle
  • Force électromagnétique
  • Force nucléaire faible
  • Force nucléaire forte

• La force gravitationnelle a une portée illimitée et une intensité relative fixée à 1, la force nucléaire faible a une intensité de 10^32 et une portée d’environ 10^-17 m, la force électromagnétique a une intensité de 10^36 et une portée illimitée, et la force nucléaire forte a une intensité de 10^38 et une portée d’environ 10^-14 m.

Compléments

• La charge du quark up vaut +2/3 et celle du quark down vaut −1/3, ce qui donne une charge +1 au proton et une charge nulle au neutron.

• L’annihilation se produit lorsqu’une particule rencontre son antiparticule et transforme les deux particules en énergie pure.

💡 Astuce mémo

Les fermions regroupent leptons et quarks ; les quatre forces les font interagir.

📖 13. Modèles atomiques et énergie

★ À maîtriser

• L’expérience de la feuille d’or montre que la majorité des particules alpha traverse la feuille sans déviation, que certaines sont déviées et que quelques-unes rebondissent, ce qui révèle que l’atome est surtout vide et possède un noyau dense et positif.

📌 Le niveau d’énergie En d’un électron est négatif, tandis que l’énergie de liaison Wn, qui est l’énergie nécessaire pour arracher l’électron à sa couche, est positive.

📐 Formule — L’énergie d’un photon électromagnétique vérifie $E=h\nu$, où h est la constante de Planck et ν la fréquence de l’onde électromagnétique.

Compléments

• Dans le modèle de Bohr, n=1 correspond à la couche K, n=2 à la couche L, et les couches électroniques peuvent aller jusqu’à n=7, correspondant à la couche Q.

📐 Formule — Un électronvolt correspond à $1\,\mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\,\mathrm{J}$ et représente l’énergie associée à la charge élémentaire traversant une différence de potentiel de 1 volt.

💡 Astuce mémo

Rutherford décrit le noyau ; Bohr quantifie les couches ; les transitions échangent de l’énergie.

📖 14. Énergies de liaison et électronvolt

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronvolt : Énergie correspondant au produit de la charge élémentaire par une différence de potentiel de 1 volt.

★ À maîtriser

📐 Formule — La conversion entre joules et électronvolts repose sur la relation $1\ \mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\ \mathrm{J}$.

Compléments

• Lorsqu’un électron libre est capté par un atome, il libère une énergie égale à l’énergie de liaison de la couche qui l’accueille.

💡 Astuce mémo

Atome : énergies faibles ; noyau : énergies beaucoup plus grandes.

📖 15. Transitions électroniques de l’hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Transition électronique : Passage d’un électron d’un niveau d’énergie à un autre, avec absorption d’énergie vers une couche supérieure ou libération d’énergie vers une couche inférieure.

★ À maîtriser

📌 L’excitation fait passer un électron vers une couche plus superficielle du même atome, tandis que l’ionisation éjecte l’électron hors de l’atome et demande davantage d’énergie.

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n est $E_n=-\frac{13{,}6}{n^2}\ \mathrm{eV}$.

📌 Le retour à l’état fondamental peut se faire par effet Auger, principalement dans les éléments légers comme C, H, O et N, ou par fluorescence dans les éléments lourds.

• Les séries sont:
  • Lyman jusqu’à la couche K
  • Balmer jusqu’à la couche L
  • Brackett jusqu’à la couche N

Compléments

📐 Formule — Pour une excitation de la couche L vers la couche M, l’énergie échangée vérifie $E=W_L-W_M$.

• La série de Balmer émet dans le spectre visible, entre 400 et 800 nm.

💡 Astuce mémo

Excitation → ionisation → retour fondamental.

📖 16. Masse nucléaire et unité atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Unité adaptée à l’échelle des atomes et définie de sorte que l’atome de carbone 12 ait exactement une masse de 12 u.m.a.

★ À maîtriser

• La masse d’un électron est de 9,1×10⁻³¹ kg, tandis que celle d’un nucléon est de 1,67×10⁻²⁷ kg, soit environ 2000 fois plus.

• La densité de l’eau est de 1 g·cm⁻³, celle des atomes de 2×10² g·cm⁻³ et celle des noyaux de 2×10¹⁴ g·cm⁻³.

📐 Formule — La relation de relativité restreinte d’Einstein entre la masse au repos et l’énergie est $E=mc^2$.

Compléments

• Une mole de carbone 12 contient exactement 6,02214179×10²³ atomes selon la valeur ICSU 2006 du nombre d’Avogadro.

💡 Astuce mémo

Un noyau minuscule concentre presque toute la masse dans un espace presque vide.

📖 17. Défaut de masse et cohésion nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Défaut de masse : Différence entre la somme des masses des nucléons séparés et la masse, plus faible, du noyau constitué.

★ À maîtriser

• Le défaut de masse correspond à une partie de la masse des nucléons convertie en énergie de liaison qui assure la cohésion du noyau.

📐 Formule — L’énergie de liaison par nucléon est le rapport $B/A$ entre l’énergie de liaison nucléaire B et le nombre de masse A.

• Selon la courbe d’Aston, les noyaux les plus stables ont une énergie de liaison par nucléon comprise entre 8 et 9 MeV, et un rapport B/A élevé indique une plus grande stabilité.

• Lors d’une fission de l’uranium 235, un neutron est incorporé au noyau, provoque son instabilité et entraîne sa scission en un noyau de krypton 92Kr et un noyau de baryum 141Ba, avec émission de plusieurs neutrons.

• La fission décrite libère un excédent d’énergie de liaison sous forme de rayonnement électromagnétique, à hauteur de 170 MeV.

Compléments

• Dans l’uranium 235, le noyau contient 92 protons et 143 neutrons, et le défaut de masse représente pratiquement l’équivalent de 2 nucléons convertis en énergie de liaison.

• La charge d’un proton est de +1,602×10⁻¹⁹ C, celle d’un neutron est nulle, et la charge du noyau est la somme des charges de ses protons.

• L’hydrogène a un rapport B/A égal à 0 car son noyau ne contient qu’un proton et ne possède pas d’énergie de liaison nucléaire.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → conversion en énergie de liaison → cohésion du noyau.

📊 Tableaux de synthèse

Structures atomiques et liaisons

Comparaison des interactions de Van der Waals