Fiche de révision : Atomistique et configuration électronique

📋 Plan du Cours

1. Structure et composition de l’atome
2. Nombres atomiques et ions
3. Masses et dimensions atomiques
4. Modèle de Bohr et énergie
5. Transitions et spectres lumineux
6. Ondes, orbitales et incertitude
7. Nombres quantiques et capacités
8. Configurations et règles de remplissage
9. Ions et tableau périodique

📖 1. Structure et composition de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau : Contient des protons de charge +e et des neutrons de charge nulle, et concentre presque toute la masse de l’atome.

★ À maîtriser

📌 Un atome neutre possède autant d’électrons que de protons.

Compléments

• Le cortège électronique est constitué d’électrons de charge −e répartis autour du noyau.

• La charge élémentaire vaut environ 1,602 × 10⁻¹⁹ C.

📖 2. Nombres atomiques et ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Égal au nombre de protons et identifie l’élément chimique.
• Nombre de masse : Égal au nombre total de nucléons du noyau.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le nombre de neutrons est donné par $N=A-Z$, donc $A=Z+N$.

📌 Des isotopes ont le même nombre atomique Z, mais des nombres de neutrons et de masse A différents.

📌 Un cation positif se forme par perte d’électrons, tandis qu’un anion négatif se forme par gain d’électrons.

Compléments

• Pour un ion de charge algébrique q exprimée en unités de e, le nombre d’électrons est $Z-q$.

• L’ion Mg²⁺, de numéro atomique 12, possède 12 − 2 = 10 électrons.

💡 Astuce mémo

Même Z, neutrons différents : isotopes ; perte d’électrons : cation, gain : anion.

📖 3. Masses et dimensions atomiques

★ À maîtriser

• La taille caractéristique du noyau est d’environ 10⁻¹⁵ m, contre 10⁻¹⁰ m pour l’atome.

Compléments

• La masse du proton et celle du neutron valent chacune environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg.

• La masse de l’électron est d’environ 9,11 × 10⁻³¹ kg.

📐 Formule - La masse de l’atome est approximativement $m_{atome}\approx A\,m_{nucléon}$.

📖 4. Modèle de Bohr et énergie

★ À maîtriser

• Le modèle de Bohr décrit, pour l’atome d’hydrogène, les électrons sur certaines orbites circulaires autorisées et des énergies quantifiées.

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

Compléments

📌 Pour l’hydrogène, n = 1 est l’état fondamental, les niveaux n > 1 sont des états excités et la limite E = 0 correspond à l’ionisation.

📌 Le modèle de Bohr explique bien le spectre de l’hydrogène, mais ne décrit pas correctement les atomes à plusieurs électrons.

📖 5. Transitions et spectres lumineux

★ À maîtriser

📐 Formule - L’énergie d’un photon vérifie $E_{photon}=h\nu=\frac{hc}{\lambda}=|E_f-E_i|$.

• Lors d’une absorption, l’électron gagne de l’énergie et passe à un niveau supérieur.

• Lors d’une émission, l’électron perd de l’énergie en descendant de niveau et un photon est émis.

Compléments

• Les transitions électroniques possibles donnent un spectre de raies discret.

• Un électron-volt vaut 1,602 × 10⁻¹⁹ J.

💡 Astuce mémo

Transition électronique → absorption ou émission d’un photon.

📖 6. Ondes, orbitales et incertitude

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Décrit l’électron en mécanique quantique, et |ψ|² est lié à sa densité de probabilité de présence.
• Orbitale atomique : Décrit un état quantique et une région de l’espace où l’électron a une probabilité de présence importante ; ce n’est pas une trajectoire.

★ À maîtriser

📐 Formule - Le principe d’incertitude de Heisenberg s’écrit $\Delta x\,\Delta p\geq\frac{\hbar}{2}$, avec $\hbar=\frac{h}{2\pi}$.

Compléments

📐 Formule - La longueur d’onde de de Broglie d’une particule de quantité de mouvement p est $\lambda=\frac{h}{p}$.

• La position et la quantité de mouvement de l’électron ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision arbitraire.

💡 Astuce mémo

Orbitale : région de probabilité ; orbite de Bohr : trajectoire définie.

📖 7. Nombres quantiques et capacités

★ À maîtriser

• Les quatre nombres quantiques sont :

  • le principal n
  • l’azimutal ℓ
  • le magnétique mℓ
  • le spin ms

• Une sous-couche de nombre quantique ℓ contient $2\ell+1$ orbitales, et chaque orbitale accueille au maximum deux électrons de spins opposés.

Compléments

• Le nombre quantique principal n prend les valeurs 1, 2, 3, … et caractérise la couche et l’énergie principale.

• Pour un nombre quantique principal n, ℓ prend les valeurs de 0 à n − 1, mℓ celles de −ℓ à +ℓ, et ms vaut +1/2 ou −1/2.

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

• Les sous-couches s, p, d et f contiennent respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales, soit des capacités maximales de 2, 6, 10 et 14 électrons.

• Une couche de nombre quantique principal n peut accueillir au maximum $2n^2$ électrons.

📖 8. Configurations et règles de remplissage

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Indique la répartition des électrons dans les sous-couches.

★ À maîtriser

• La règle d’Aufbau, ou règle de Klechkowski, impose le remplissage des sous-couches selon l’ordre énergétique indiqué.

• Selon le principe d’exclusion de Pauli, deux électrons d’un même atome ne peuvent avoir les quatre mêmes nombres quantiques, et une orbitale accueille au maximum deux électrons de spins opposés.

• Selon la règle de Hund, dans des orbitales de même énergie, les électrons les occupent d’abord séparément avec des spins parallèles avant de s’apparier.

Compléments

• L’ordre usuel de remplissage est 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

• L’oxygène neutre, de Z = 8, a pour configuration 1s² 2s² 2p⁴.

• Le sodium neutre, de Z = 11, a pour configuration [Ne] 3s¹.

• Le chlore neutre, de Z = 17, a pour configuration [Ne] 3s² 3p⁵.

💡 Astuce mémo

Aufbau remplit, Pauli limite à deux, Hund sépare avant d’apparier.

📖 9. Ions et tableau périodique

★ À maîtriser

📌 La formation d’un ion modifie le nombre d’électrons, mais pas celui des protons.

📌 Pour les cations des métaux de transition, les électrons de la couche de plus grand n sont généralement retirés en premier, soit les électrons 4s avant les 3d.

• Les électrons de valence participent particulièrement aux liaisons et influencent les propriétés chimiques.

Compléments

• Le sodium neutre a pour configuration [Ne] 3s¹, tandis que Na⁺ a pour configuration [Ne].

• La période d’un élément est généralement liée au plus grand nombre quantique principal n occupé.

• Le bloc s, p, d ou f indique la sous-couche en cours de remplissage.

• Pour les éléments des blocs s et p, le groupe est lié au nombre d’électrons de valence.