Fiche de révision : Atomistique et configuration électronique

📋 Plan du Cours

1. Structure des éléments chimiques
2. Ondes et spectres électromagnétiques
3. Modèle de Bohr et hydrogène
4. Nombres quantiques et orbitales
5. Règles de configuration électronique
6. Configurations des atomes et ions
7. Classification périodique et familles
8. Électronégativité périodique

📖 1. Structure des éléments chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Z correspond au nombre de protons du noyau et, dans un atome neutre, au nombre d’électrons.
• Nombre de masse : A correspond au nombre total de nucléons du noyau, soit la somme des protons Z et des neutrons N.

📝 Points essentiels

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

• La notation atomique $^{A}_{Z}X$ décrit un élément X dont le noyau contient A nucléons et Z protons.

📖 2. Ondes et spectres électromagnétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde électromagnétique : Caractérisée par sa longueur d’onde λ, exprimée en mètres.
• Spectre électromagnétique : Classe toutes les ondes électromagnétiques selon leur longueur d’onde et leur fréquence, des rayons gamma aux ondes radio.

★ À maîtriser

• La vitesse de propagation de la lumière vaut $c=3\times10^{8}\ \mathrm{m\,s^{-1}}$.

📐 Formule — L’énergie transportée par une onde électromagnétique est $E=\frac{hc}{\lambda}$, avec E en joules.

Compléments

• Les rayons X s’étendent sur des longueurs d’onde comprises entre 0,1 nm et 10 nm.

💡 Astuce mémo

Gamma → X → visible → radio

📖 3. Modèle de Bohr et hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• Niveaux d’énergie : D’un atome sont des états d’énergie discrets et quantifiés associés aux différentes orbites électroniques.

★ À maîtriser

• Lorsqu’un électron absorbe une énergie suffisante, il passe vers un état excité d’énergie supérieure, puis il revient vers un état inférieur en émettant un photon monochromatique.

• Pour l’atome d’hydrogène, l’état fondamental correspond à n=1 et l’état n=∞, d’énergie E∞=0, correspond à l’ionisation.

📐 Formule — La variation d’énergie associée à une radiation de longueur d’onde λ est $\Delta E=\frac{hc}{\lambda}$.

Compléments

📐 Formule — Lors d’une ionisation, l’énergie du photon vérifie $E_{\lambda}=E_{\mathrm{ionisation}}+E_c$, où Ec est l’énergie cinétique de l’électron éjecté.

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

📐 Formule — Pour un ion hydrogénoïde, l’énergie du niveau n est $E_n=\frac{-Z^2\times13{,}6}{n^2}\ \mathrm{eV}$ et l’énergie fondamentale est $E_1=-Z^2\times13{,}6\ \mathrm{eV}$.

💡 Astuce mémo

Absorption : montée ; émission : descente

📖 4. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Une zone de l’espace où la probabilité de présence de l’électron est maximale.
• Nombre quantique principal : N est un entier strictement positif qui définit l’énergie et la couche électronique de l’électron.
• Nombre quantique secondaire : ℓ vérifie $0\leq\ell\leq n-1$ et caractérise la sous-couche s, p, d ou f.
• Nombre quantique de spin : Ms caractérise l’état de spin de l’électron et prend les valeurs +1/2 ou −1/2.

★ À maîtriser

• Pour une sous-couche de nombre quantique ℓ, le nombre d’orbitales est $2\ell+1$.

Compléments

• Les valeurs ℓ=0, 1, 2 et 3 correspondent respectivement aux sous-couches s, p, d et f, qui contiennent respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales.

📖 5. Règles de configuration électronique

★ À maîtriser

📌 Une orbitale atomique peut contenir au maximum deux électrons, qui doivent avoir des spins opposés et ne peuvent pas posséder les quatre mêmes nombres quantiques.

• Une couche de nombre quantique principal n contient n² orbitales et peut accueillir au maximum 2n² électrons.

• Les orbitales se remplissent selon des valeurs croissantes de n+ℓ et, à valeur de n+ℓ égale, selon la plus faible valeur de n.

• Lors du remplissage d’une sous-couche, les orbitales sont d’abord occupées avec des électrons de spins parallèles avant l’appariement des électrons.

Compléments

• L’ordre énergétique à connaître est 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p.

• Le chrome et le cuivre sont des exceptions à la règle de Klechkowsky, car une sous-couche demi-remplie ou totalement remplie procure un gain de stabilité.

💡 Astuce mémo

Pauli → Klechkowsky → Hund

📖 6. Configurations des atomes et ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de valence : Les électrons de plus grande valeur de n, ainsi que ceux des sous-couches de n inférieur en cours de remplissage, et ils sont responsables de la réactivité de l’atome.
• Électrons de cœur : Appartiennent aux sous-couches de n inférieur totalement remplies et sont les plus proches du noyau.

★ À maîtriser

• La formation d’un anion ajoute un ou plusieurs électrons dans les niveaux d’énergie supérieurs en respectant les trois règles de remplissage.

• La formation d’un cation retire les électrons de valence les plus hauts en énergie de l’atome neutre.

Compléments

• La configuration électronique de l’atome d’oxygène, de numéro atomique Z=8, est 1s² 2s² 2p⁴.

• Le carbone possède quatre électrons de valence et deux électrons de cœur dans la configuration 1s² 2s² 2p².

• Le magnésium possède deux électrons de valence et dix électrons de cœur dans la configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s².

💡 Astuce mémo

Anion : gain ; cation : perte

📖 7. Classification périodique et familles

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : Une ligne de la classification périodique correspondant à une même valeur du nombre quantique principal n.
• Groupe : Une colonne de la classification périodique regroupant des éléments ayant une même configuration électronique de valence.

★ À maîtriser

• La classification périodique est construite par numéro atomique Z croissant, donc par nombre d’électrons croissant pour les atomes neutres.

• La classification périodique comporte quatre blocs principaux:

  • le bloc s
  • le bloc p
  • le bloc d
  • le bloc f

• Les alcalins ont une valence ns¹, les alcalino-terreux ns², les halogènes ns²np⁵, les gaz nobles ns²np⁶ et les métaux de transition ns²(n−1)d¹ à ns²(n−1)d¹⁰.

Compléments

• Les gaz nobles possèdent une configuration électronique stable ns²np⁶, correspondant à une couche de valence saturée.

📖 8. Électronégativité périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronégativité : Χ est la capacité d’un élément à attirer les électrons d’un doublet de liaison.

📊 Tableaux de synthèse

Nombres quantiques et orbitales