Fiche de révision : Atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Constitution et caractéristiques de l’atome
2. Quantité de matière et concentrations
3. Énergie et spectres de l’hydrogène
4. Orbitales et nombres quantiques
5. Remplissage électronique des atomes
6. Électrons de valence et classification périodique
7. Construction du tableau périodique
8. Configurations et familles périodiques
9. Blocs et familles chimiques
10. Tendances atomiques périodiques
11. Ions et stabilité électronique
12. Électronégativité et liaisons

📖 1. Constitution et caractéristiques de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau positif contenant des protons et des neutrons, entouré d’électrons négatifs.
• Nucléide : Noyau caractérisé par son nombre de masse A et son nombre de charge Z.

📝 Points essentiels

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

📌 Des isotopes sont des nucléides d’un même élément ayant le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons différents.

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

💡 Astuce mémo

Noyau massif et positif, électrons légers et négatifs

📖 2. Quantité de matière et concentrations

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse molaire : La masse d’une mole d’entités et s’exprime usuellement en grammes par mole.

📝 Points essentiels

• Depuis le 20 mai 2019, la constante d’Avogadro vaut exactement $N_A = 6{,}02214076 \times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}$.

📐 Formule — Le nombre de moles d’un échantillon vérifie $n = \frac{m}{M}$, avec m en grammes et M en grammes par mole.

📐 Formule — La concentration molaire vérifie $C = \frac{n}{V}$, avec n en moles et V en litres.

💡 Astuce mémo

Masse divisée par masse molaire → quantité de matière → concentration

📖 3. Énergie et spectres de l’hydrogène

🔑 Notions clés & Définitions

• État fondamental : L’état de plus basse énergie et de stabilité absolue d’un système quantique.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vérifie $E_n = -\frac{Ry}{n^2}$, avec $Ry \approx 2{,}1799 \times 10^{-18}\ \mathrm{J} = 13{,}6\ \mathrm{eV}$.

• L’ionisation de l’atome d’hydrogène se produit lorsque n tend vers l’infini et que l’électron devient libre selon $H \rightarrow H^+ + e^-$.

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $\varepsilon_{ph}=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, où h est la constante de Planck et $h=6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$.

📌 Un photon est absorbé lorsque l’énergie finale est supérieure à l’énergie initiale, tandis qu’il est émis lorsque l’énergie initiale est supérieure à l’énergie finale.

📐 Formule — Pour un ion hydrogénoïde, l’énergie du niveau n vérifie $E_n=-\frac{Ry\,Z^2}{n^2}$.

💡 Astuce mémo

Absorption : niveau initial → niveau final ; émission : niveau final → niveau initial

📖 4. Orbitales et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Une zone de l’espace associée à la fonction d’onde d’un électron, où la probabilité de présence est généralement représentée à 95 %.

📝 Points essentiels

• Le nombre quantique principal n détermine principalement l’éloignement et le volume de l’orbitale, et peut prendre les valeurs entières positives 1, 2, 3

• Pour une valeur de n donnée, le nombre quantique azimutal l prend les valeurs entières de 0 à n−1 et détermine la forme de l’orbitale : s pour l=0, p pour l=1, d pour l=2 et f pour l=3.

• Le nombre quantique magnétique mₗ prend les valeurs entières comprises entre −l et +l, soit 2l+1 orientations orbitalaires pour une valeur donnée de l.

• Le nombre quantique de spin mₛ prend les valeurs +1/2 et −1/2, et une orbitale peut contenir au maximum deux électrons de spins opposés.

💡 Astuce mémo

n-l-mₗ-mₛ : taille, forme, orientation, spin

📖 5. Remplissage électronique des atomes

📝 Points essentiels

• L’ordre de remplissage est:
  • 1s
  • 2s
  • 2p
  • 3s
  • 3p
  • 4s
  • 3d
  • 4p
  • 5s
  • 4d

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques, ce qui limite chaque orbitale à deux électrons de spins opposés.

📌 La règle de Hund impose que, dans un sous-niveau composé d’orbitales de même énergie, les électrons occupent d’abord les orbitales séparément avec des spins parallèles avant de s’apparier.

💡 Astuce mémo

Klechkowski, Pauli, puis Hund pour remplir les orbitales

📖 6. Électrons de valence et classification périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Électron de valence : Un électron externe participant notamment aux liaisons chimiques, aux ionisations et à la formation des anions.

📝 Points essentiels

📌 Les électrons de valence sont ceux du niveau n le plus élevé, auxquels s’ajoutent les électrons des sous-niveaux (n−1)d et (n−2)f lorsqu’ils ne sont pas complètement remplis.

• Les électrons situés entre le noyau et les électrons de valence sont appelés électrons de cœur et ne participent pas à la liaison chimique.

💡 Astuce mémo

Configuration électronique → propriétés chimiques → classement périodique

📖 7. Construction du tableau périodique

📝 Points essentiels

• En 1869, Mendeleïev a proposé de laisser des cases vides dans le tableau périodique afin d’y placer des éléments encore inconnus.

💡 Astuce mémo

Décalages observés → cases vides → découverte du gallium et du germanium

📖 8. Configurations et familles périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Famille chimique : Regroupe des éléments placés dans une même colonne et possédant des propriétés chimiques analogues parce qu’ils ont une configuration électronique de valence identique, à la valeur de n maximal près.

📝 Points essentiels

📌 La période d’un élément est donnée par la plus grande valeur de n présente dans sa configuration électronique.

• Dans les blocs s et p, le numéro de la colonne permet de connaître le nombre d’électrons de valence, de 1 à 8.

📌 L’hélium possède la configuration 1s2, mais il est placé avec les gaz nobles car son inertie chimique correspond à celle de la dernière colonne plutôt qu’à celle des alcalino-terreux.

💡 Astuce mémo

Même valence = même famille ; même n maximal = même période

📖 9. Blocs et familles chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Gaz nobles : Éléments de la dix-huitième colonne, généralement gazeux et très peu réactifs, dont la configuration électronique de valence est ns2 np6, sauf l’hélium qui possède 1s2.
• Halogènes : Constituent la dix-septième colonne du tableau et possèdent une configuration électronique de valence ns2 np5.

📝 Points essentiels

• 🔄 Le remplissage électronique suit l’ordre suivant:

  1. 4s
  2. 3d
  3. 4p
  4. 5s
  5. 4d
  6. 5p

• Le bloc s comprend les deux premières colonnes, le bloc d les dix colonnes centrales, le bloc p les six dernières colonnes et le bloc f quatorze colonnes placées généralement en bas du tableau.

💡 Astuce mémo

s-d-p : remplissage des sous-niveaux ; f rejeté en bas

📖 10. Tendances atomiques périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Première ionisation : Réaction au cours de laquelle on arrache à un atome gazeux son électron de valence d’énergie la plus élevée pour former un cation, et son énergie est toujours positive.
• Affinité électronique : Énergie libérée lorsqu’un électron se fixe à un atome neutre en phase gazeuse, et elle est comptée positivement par convention.

📝 Points essentiels

📌 Le rayon atomique augmente lorsqu’on descend dans une colonne et diminue lorsqu’on avance de gauche à droite dans une période.

📌 L’énergie de première ionisation diminue en descendant dans une colonne et augmente de gauche à droite dans une période, en suivant globalement la tendance inverse du rayon atomique.

💡 Astuce mémo

Rayon : bas et gauche ; ionisation et électronégativité : haut et droite

📖 11. Ions et stabilité électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèces isoélectroniques : Des espèces isoélectroniques possèdent le même nombre total d’électrons et donc la même configuration électronique, comme O2-, F- et Na+, qui ont la configuration du néon 1s2 2s2 2p6.

📝 Points essentiels

📌 Les éléments des blocs s et p tendent à perdre ou gagner des électrons afin d’atteindre la configuration électronique stable d’un gaz noble.

• Les alcalins perdent généralement un électron pour former X+, les alcalino-terreux perdent deux électrons pour former X2+, et les éléments ns2 np5 gagnent un électron pour former X-.

💡 Astuce mémo

Atteindre la configuration d’un gaz noble → perte ou gain d’électrons

📖 12. Électronégativité et liaisons

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronégativité : Quantifie la tendance d’un atome à attirer vers lui un électron ou à céder un de ses électrons à un autre atome.

📝 Points essentiels

📌 L’électronégativité diminue en descendant dans une colonne et augmente de gauche à droite dans une période.

• La confrontation d’un atome de césium d’électronégativité 0,8 avec un atome de fluor d’électronégativité 4 entraîne un transfert total de l’électron et la formation des ions Cs+ et F-.

💡 Astuce mémo

Grande différence d’électronégativité → transfert ou polarisation de la liaison

📊 Tableaux de synthèse

Nombres quantiques et orbitales

Tendances périodiques