Fiche de révision : Atomistique et propriétés périodiques

📋 Plan du Cours

1. Structure et modèles de l’atome
2. Nucléides et masses atomiques
3. Classification périodique
4. Dualité quantique et photons
5. Fonction d’onde et orbitales
6. Nombres quantiques et énergies
7. Configurations électroniques
8. Écrantage et propriétés atomiques
9. Liaisons et rayons chimiques

📅 Repères chronologiques

1. 1869Mendeleïev établit un tableau classant les éléments par masse atomique croissante et regroupant en colonnes ceux qui présentent des analogies structurales et chimiques
2. 1911Rutherford met expérimentalement en évidence l’existence du noyau au sein de l’atome dans son modèle orbital
3. 1925Schrödinger propose un modèle quantique dans lequel l’électron est décrit comme une onde et sa probabilité de présence est représentée autour du noyau

📖 1. Structure et modèles de l’atome

★ À maîtriser

• Le noyau contient des protons chargés positivement et des neutrons de charge nulle, tandis que les électrons chargés négativement se trouvent autour du noyau.

Compléments

• La masse d’un proton est d’environ 1,673.10^{-27} kg, celle d’un neutron d’environ 1,675.10^{-27} kg et celle d’un électron d’environ 9,1.10^{-31} kg.

💡 Astuce mémo

Dalton → Thomson → Rutherford → Bohr → Schrödinger

📖 2. Nucléides et masses atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : nombre de protons du noyau et détermine la position de l’élément dans le tableau périodique ; un atome neutre possède Z électrons

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de masse A est le nombre total de nucléons et vérifie $A = N + Z$, où N est le nombre de neutrons et Z le nombre de protons.

📌 Des isotopes ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents ; des isotones ont le même nombre de neutrons N ; des isobares ont le même nombre de masse A.

• La masse atomique relative d’un élément est la moyenne pondérée des masses de ses isotopes par leurs abondances isotopiques.

Compléments

📐 Formule — L’unité de masse atomique vaut $1\ \mathrm{u}=\frac{1}{N_a}=1{,}661\times10^{-24}\ \mathrm{g}$ et correspond au douzième de la masse d’un atome de carbone 12.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isotones : même N ; isobares : même A

📖 3. Classification périodique

📝 Points essentiels

📌 La classification moderne range les éléments par numéro atomique Z croissant ; une période correspond à une ligne et un groupe à une colonne d’éléments aux propriétés chimiques similaires.

• La colonne 1 correspond aux alcalins, la colonne 2 aux alcalino-terreux, la colonne 17 aux halogènes et la colonne 18 aux gaz rares.

📖 4. Dualité quantique et photons

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, où h est la constante de Planck, ν la fréquence, c la vitesse de la lumière et λ la longueur d’onde.

• L’effet photoélectrique produit instantanément un courant lorsqu’une lumière d’énergie suffisante arrache des électrons à une plaque métallique.

📌 Un électron est émis par un métal si la fréquence du rayonnement incident dépasse une fréquence seuil dépendant du matériau, et l’énergie du photon se répartit entre énergie d’éjection et énergie cinétique.

Compléments

📐 Formule — La quantité de mouvement d’un photon vérifie $p=\frac{E}{c}=\frac{h}{\lambda}$.

💡 Astuce mémo

La lumière est à la fois onde électromagnétique et flux de photons

📖 5. Fonction d’onde et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : décrit l’état d’une particule en fonction de sa position et du temps ; dans un état stationnaire, elle dépend seulement de la position
• Orbitale atomique : une fonction propre représentant une région de probabilité de présence d’un électron autour du noyau

📝 Points essentiels

📐 Formule — La probabilité de trouver une particule dans un volume dV est $dP=|\psi|^2dV$ et la normalisation impose $\iiint_{\mathrm{espace}}|\psi|^2\,dV=1$.

📐 Formule — L’équation de Schrödinger s’écrit $\hat{\mathcal H}\psi=E\psi$, et E est une valeur propre représentant une énergie mesurable possible.

💡 Astuce mémo

|ψ|² → densité de probabilité → localisation de la particule

📖 6. Nombres quantiques et énergies

★ À maîtriser

📌 Le nombre quantique principal n prend les valeurs entières positives de 1 à l’infini et définit la couche électronique, le niveau d’énergie et la taille de l’orbitale.

• Pour une couche de nombre quantique principal n, le nombre d’orbitales atomiques est $n^2$ ; les couches n=1, n=2 et n=3 contiennent respectivement 1, 4 et 9 orbitales.

📌 Le nombre quantique secondaire l vérifie $0\leq l\leq n-1$ et définit la sous-couche ainsi que la forme de l’orbitale ; l=0, 1, 2 et 3 correspondent respectivement à s, p, d et f.

• Le nombre quantique de spin mₛ vaut +1/2 ou −1/2 et décrit les deux orientations possibles du spin de l’électron.

Compléments

📌 Le nombre quantique magnétique mₗ vérifie $-l\leq m_l\leq l$ et définit l’orientation de l’orbitale ; une sous-couche contient donc $2l+1$ orbitales.

💡 Astuce mémo

n : couche ; l : forme ; mₗ : orientation ; mₛ : spin

📖 7. Configurations électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome hydrogénoïde : un atome ou un ion ne possédant qu’un seul électron, comme H, He+ ou Li2+

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un atome hydrogénoïde, l’énergie électronique du niveau n vérifie $E_n=-\frac{13{,}6Z^2}{n^2}\ \mathrm{eV}$.

📌 L’état fondamental correspond à n=1 et est le plus stable, les états excités correspondent à n>1, et l’état ionisé correspond à n=∞.

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre nombres quantiques identiques ; une orbitale peut donc contenir au maximum deux électrons de spins opposés.

📌 La règle de Klechkowski remplit à l’état fondamental les orbitales de plus basse énergie, avec les exceptions du cuivre Cu en 4s1 3d10 et du chrome Cr en 4s1 3d5.

Compléments

📌 La règle de Hund impose la maximisation du nombre d’électrons non appariés et du spin total.

💡 Astuce mémo

Pauli → Hund → Klechkowski

📖 8. Écrantage et propriétés atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’ionisation : l’énergie nécessaire pour arracher un électron de valence à un atome isolé gazeux dans son état fondamental à 0 K

★ À maîtriser

📐 Formule — La charge nucléaire effective ressentie par un électron vérifie $Z_{eff}=Z-\sigma$, où σ est la somme des contributions d’écrantage des autres électrons.

📌 Dans le modèle de Slater, les électrons d’un même groupe contribuent généralement à l’écrantage pour 0,35, les électrons s et p du groupe n−1 pour 0,85 et les électrons plus internes pour 1.

📌 Le potentiel d’ionisation augmente de gauche à droite sur une période et diminue de haut en bas dans une colonne.

Compléments

📐 Formule — Pour un atome polyélectronique, l’énergie d’un électron peut être estimée par $E_n=-\frac{13{,}6Z_{eff}^2}{n^2}$ en eV.

💡 Astuce mémo

Écrantage → Z_eff diminuée → attraction nucléaire réduite

📖 9. Liaisons et rayons chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronégativité : la tendance d’un atome à attirer vers lui le doublet d’électrons qui l’associe à un autre atome

★ À maîtriser

📌 Les électrons de valence appartiennent à la couche externe et participent aux propriétés chimiques, tandis que les électrons de cœur appartiennent aux couches profondes saturées et n’interviennent pas dans les réactions chimiques.

📌 Un cation se forme par perte d’électrons et un anion par gain d’électrons, généralement pour tendre vers une configuration électronique de gaz rare à couche de valence saturée.

📐 Formule — Une liaison est partiellement ionique si la différence d’électronégativité est inférieure à 2, $\chi_B-\chi_A<2$, et ionique si elle est supérieure à 2, $\chi_B-\chi_A>2$.

📌 Le rayon atomique diminue de gauche à droite sur une période et augmente de haut en bas dans une colonne ; un rayon élevé rend l’atome plus polarisable.

Compléments

📌 Un anion est en général plus grand que l’atome neutre correspondant, tandis qu’un cation est plus petit que cet atome en raison des variations de charge effective.

💡 Astuce mémo

Petit ion : pouvoir polarisant ; grand atome : polarisabilité

📊 Tableaux de synthèse

Familles de nucléides

Tendances périodiques