Fiche de révision : Atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Structure et constitution de l’atome
2. Notation atomique et isotopes
3. Masse atomique et quantité de matière
4. Niveaux d’énergie de l’hydrogène
5. Transitions et spectres atomiques
6. Nombres quantiques et orbitales
7. Remplissage des orbitales atomiques
8. Configuration électronique et valence
9. Organisation du tableau périodique
10. Évolution des propriétés périodiques

📖 1. Structure et constitution de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : La plus petite unité de matière, constituée d’un noyau entouré d’un ou plusieurs électrons.

★ À maîtriser

📌 Un cation possède plus de protons que d’électrons et porte une charge positive, tandis qu’un anion possède plus d’électrons que de protons et porte une charge négative.

Compléments

• La masse d’un atome est approximativement celle de son noyau, car la masse des électrons est négligeable, tandis que son volume est approximativement celui de son cortège électronique.

💡 Astuce mémo

Noyau positif, cortège électronique négatif

📖 2. Notation atomique et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Des atomes d’un même élément qui possèdent le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un atome représenté par $^{A}_{Z}X$, le nombre de neutrons vérifie $N=A-Z$ et le nombre d’électrons d’un ion vérifie $n_e=Z-q$, où q est la charge algébrique de l’ion.

Compléments

• Les isotopes de l’hydrogène sont le protium, le deutérium et le tritium, et l’hydrogène de nombre de masse A = 1 représente 99,9 % de l’élément hydrogène.

💡 Astuce mémo

A = nucléons, Z = protons, N = A − Z

📖 3. Masse atomique et quantité de matière

★ À maîtriser

• Une mole contient $N_A=6{,}02\times10^{23}$ atomes ou particules.

📐 Formule — La masse molaire approximative d’un isotope de nombre de masse A est $M_i\approx A$ en g·mol⁻¹.

Compléments

• Une unité de masse atomique vaut 1,66 × 10⁻²⁴ g, soit un Dalton, et correspond au douzième de la masse d’un atome de carbone 12.

📖 4. Niveaux d’énergie de l’hydrogène

📝 Points essentiels

📐 Formule — Dans le modèle de Bohr de l’hydrogène, l’énergie du niveau n est $E_n=-\frac{13{,}6}{n^2}\ \mathrm{eV}$ et le rayon de l’orbite est $r_n=a_0n^2$, avec $a_0=0{,}53\ \text{Å}$.

• Le niveau n = 1 est l’état fondamental stable et les niveaux n = 2, 3, 4… sont des états excités.

💡 Astuce mémo

Fondamental → excité → ionisé

📖 5. Transitions et spectres atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Ion hydrogénoïde : Un ion dont le cortège électronique ne contient qu’un seul électron et dont la charge est (Z − 1)+.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $\Delta E=\frac{hc}{\lambda}$, avec $h=6{,}626\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$ et $c=3\times10^8\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}$.

• Les séries de raies de l’hydrogène sont:
  • Lyman pour n = 1
  • Balmer pour n = 2
  • Paschen pour n = 3
  • Brackett pour n = 4
  • Pfund pour n = 5

💡 Astuce mémo

Absorption vers le haut, émission vers le bas

📖 6. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Une région de l’espace où la probabilité de présence d’un électron est maximale.

★ À maîtriser

• Le nombre quantique principal n caractérise la couche et l’énergie, avec 1 ≤ n ≤ +∞, et une couche n contient n² orbitales et au maximum 2n² électrons.

• Le nombre quantique secondaire l caractérise la sous-couche et vérifie 0 ≤ l ≤ n − 1, tandis que le nombre magnétique m vérifie −l ≤ m ≤ l et décrit l’orientation de l’orbitale.

Compléments

• Le nombre quantique de spin s ne peut prendre que les valeurs +1/2 et −1/2.

💡 Astuce mémo

Un bâtiment : n étage, l appartements, m orientations

📖 7. Remplissage des orbitales atomiques

📝 Points essentiels

• Une orbitale atomique peut contenir au maximum deux électrons, qui doivent avoir des spins opposés.

• La règle de Klechkowski classe les orbitales par valeur croissante de n + l, puis par valeur croissante de n en cas d’égalité.

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre nombres quantiques identiques.

• La règle de Hund impose de remplir séparément les orbitales d’une même sous-couche avec des spins parallèles avant de les apparier.

💡 Astuce mémo

Klechkowski → Pauli → Hund

📖 8. Configuration électronique et valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche de valence : Les électrons de la couche la plus externe et de la sous-couche incomplète, et elle détermine largement la réactivité de l’atome.

📝 Points essentiels

📌 Dans l’atome d’hydrogène et les ions hydrogénoïdes, les orbitales d’une même couche n ont la même énergie, tandis que dans les atomes polyélectroniques cette dégénérescence est levée.

• Les trois exceptions de configuration électronique à connaître sont le chrome 24Cr, le cuivre 29Cu et l’argent 47Ag.

• Les configurations exceptionnelles sont 24Cr : [Ar] 3d⁵ 4s¹, 29Cu : [Ar] 3d¹⁰ 4s¹ et 47Ag : [Kr] 4d¹⁰ 5s¹.

💡 Astuce mémo

Électrons de cœur internes, électrons de valence externes

📖 9. Organisation du tableau périodique

📝 Points essentiels

• Le tableau périodique comprend:

  • 7 périodes
  • 18 familles
  • 4 blocs principaux s, p, d et f

• Les éléments d’une même famille possèdent le même nombre d’électrons de valence et des propriétés chimiques similaires.

📌 Les éléments du bloc s tendent à céder des électrons pour atteindre la configuration du gaz rare précédent, tandis que les éléments du bloc p tendent à capter des électrons pour atteindre celle du gaz rare suivant.

📖 10. Évolution des propriétés périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie de première ionisation : L’énergie à fournir à un atome gazeux pour lui arracher un électron.
• Électronégativité : La capacité d’un élément à attirer les électrons d’un doublet de liaison, avec une échelle de Pauling comprise entre 0,7 et 4.

★ À maîtriser

📌 L’énergie de première ionisation augmente globalement lorsqu’on monte et qu’on se déplace vers la droite du tableau périodique.

📌 Le rayon atomique augmente globalement lorsqu’on descend et qu’on se déplace vers la gauche du tableau périodique, et les rayons vérifient r_cation < r_atome < r_anion.

Compléments

• Le fluor est l’élément le plus électronégatif, le francium est le moins électronégatif et les gaz rares n’ont pas d’électronégativité selon le cours.

💡 Astuce mémo

Ionisation et électronégativité montent à droite, rayon augmente vers le bas

📊 Tableaux de synthèse

Évolution des propriétés périodiques