Fiche de révision : Atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Structure et constitution de l’atome
2. Notation atomique et grandeurs chimiques
3. Niveaux d’énergie de l’hydrogène
4. Transitions et spectres atomiques
5. Nombres quantiques et orbitales
6. Remplissage des orbitales atomiques
7. Configuration et électrons de valence
8. Organisation du tableau périodique
9. Énergie d’ionisation et électronégativité
10. Rayon atomique et ionique

📖 1. Structure et constitution de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📌 Le noyau contient les protons et les neutrons, qui forment les nucléons, tandis que les électrons constituent le cortège électronique autour du noyau.

📌 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, tandis que son volume est approximativement celui de son cortège électronique.

💡 Astuce mémo

Le noyau concentre la masse, le cortège électronique occupe le volume.

📖 2. Notation atomique et grandeurs chimiques

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un atome représenté par $^{A}_{Z}X$, le nombre de neutrons vaut $N=A-Z$ et le nombre d’électrons vaut $Z$ pour l’atome neutre ou $Z-q$ pour un ion de charge q.

📌 Des isotopes possèdent le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents, car leur nombre de neutrons diffère.

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

Compléments

📐 Formule — L’unité de masse atomique vaut $1\,u=1{,}66\times10^{-24}\,g$, soit un Dalton, et la masse molaire approximative d’un isotope de nombre de masse A vaut $M\approx A\,g\cdot mol^{-1}$.

💡 Astuce mémo

A = nucléons, Z = protons, N = A − Z.

📖 3. Niveaux d’énergie de l’hydrogène

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vaut $E_n=-\frac{13{,}6}{n^2}\,eV$ et le rayon de l’orbite vaut $r_n=a_0n^2$ avec $a_0=0{,}53\,Å$.

📌 Le niveau fondamental n=1 est l’état stable le plus proche du noyau, tandis que les niveaux n=2, 3, 4 et suivants sont des états excités.

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $\Delta E=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, avec $1\,eV=1{,}6\times10^{-19}\,J$.

💡 Astuce mémo

Absorption d’énergie → excitation ; émission d’énergie → retour vers un niveau inférieur.

📖 4. 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)+.

★ À maîtriser

📐 Formule — La formule de Rydberg pour l’hydrogène relie la longueur d’onde d’une raie aux niveaux n et m par $\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{m^2}\right)$ avec n<m et $R_H=1{,}097\times10^7\,m^{-1}$.

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

Compléments

📌 Dans une série donnée, la raie de tête provient de la transition n+1 vers n et possède l’énergie la plus faible, tandis que la raie limite provient de la transition n=∞ vers n et possède l’énergie la plus grande.

💡 Astuce mémo

Lyman(Lyli), Balmer(Bat), Paschen(Pascal), Brackett(Bras), Pfund(pFer).

📖 5. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre quantique principal n vérifie $1\le n\le +\infty$ ; une couche n contient $n^2$ orbitales et peut accueillir au maximum $2n^2$ électrons.

📐 Formule — Le nombre quantique secondaire l vérifie $0\le l\le n-1$ et caractérise la sous-couche et la forme de l’orbitale.

📐 Formule — Le nombre quantique magnétique orbitalaire m vérifie $-l\le m\le l$ et une sous-couche de nombre l contient $2l+1$ orbitales.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Un bâtiment inversé : n désigne l’étage, l les appartements et m les orientations.

📖 6. Remplissage des orbitales atomiques

★ À maîtriser

• 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 n croissant en cas d’égalité.

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

• Les exceptions concernent:

  • le chrome 24Cr
  • le cuivre 29Cu
  • l’argent 47Ag

Compléments

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

💡 Astuce mémo

Klechkowski ordonne le remplissage ; Aufbau réorganise ns et (n−1)d.

📖 7. Configuration et électrons de valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Couche de valence : Les électrons de la couche la plus externe et de la sous-couche incomplète ; ces électrons déterminent largement la réactivité de l’atome.

📝 Points essentiels

• L’oxygène 8O possède la configuration 1s2 2s2 2p4 et tend à gagner deux électrons pour atteindre la configuration stable 2s2 2p6.

• Le silicium 14Si possède quatre électrons de valence avec la configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2.

• Le fer 26Fe possède huit électrons de valence, correspondant aux électrons 4s2 et 3d6 de la configuration 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2.

💡 Astuce mémo

Couche de valence pleine → stabilité comparable à celle d’un gaz rare.

📖 8. Organisation du tableau périodique

★ À maîtriser

• Le tableau périodique comprend:

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

• Les gaz rares possèdent une couche de valence saturée de configuration ns2 np6, sauf l’hélium qui possède 1s2.

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

Compléments

• L’hydrogène 1H n’est pas classé parmi les alcalins malgré sa position dans la première colonne.

💡 Astuce mémo

7 périodes, 18 familles, 4 blocs : s, p, d et f.

📖 9. Énergie d’ionisation et électronégativité

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie d’ionisation : L’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome gazeux.
• Électronégativité : La capacité d’un atome à attirer les électrons d’un doublet de liaison.

★ À maîtriser

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

Compléments

• L’énergie de première ionisation du béryllium est supérieure à celle du bore, soit EI1(Be)>EI1(B), car l’électron du bore est dans la sous-couche 2p, plus éloignée du noyau que la sous-couche 2s du béryllium.

• L’électronégativité selon Pauling est comprise entre 0,7 et 4, sans unité ; elle est maximale pour le fluor et minimale pour le francium, tandis que les gaz rares n’en possèdent pas.

💡 Astuce mémo

L’énergie d’ionisation arrache un électron ; l’électronégativité attire un doublet liant.

📖 10. Rayon atomique et ionique

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon atomique : Le rayon de la sphère représentant approximativement la taille d’un atome.

📝 Points essentiels

📌 Le rayon atomique augmente lorsqu’on descend et qu’on se déplace vers la gauche dans le tableau périodique.

📌 Pour des espèces de même élément, le rayon du cation est inférieur à celui de l’atome, lui-même inférieur à celui de l’anion : $r_{cation}<r_{atome}<r_{anion}$.

💡 Astuce mémo

Dans le tableau : rayon croissant vers le bas et la gauche ; cation < atome < anion.

📊 Tableaux de synthèse

Évolution des propriétés périodiques