Fiche de révision : Atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Constituants et structure du noyau
2. Électrons et quantité de matière
3. Énergie et fonction d’onde
4. Hydrogène et spectroscopie
5. Orbitales et nombres quantiques
6. Configurations électroniques
7. Classification périodique historique
8. Construction du tableau périodique
9. Familles périodes et blocs électroniques
10. Tendances périodiques des propriétés
11. Ions et électronégativité

📖 1. Constituants et structure du noyau

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau positif formé de protons et de neutrons, entouré d’électrons négatifs.
• Numéro atomique : Le nombre de protons du noyau et caractérise l’élément chimique.

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans un noyau, 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 Z mais des nombres de neutrons différents.

Compléments

• La radioactivité est la décomposition spontanée de noyaux instables en d’autres noyaux.

💡 Astuce mémo

Le noyau définit l’élément, tandis que les électrons déterminent surtout ses propriétés chimiques

📖 2. Électrons et quantité de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique unifiée : Définie comme le douzième de la masse d’un atome de carbone 12 et valant environ $1{,}660538\times10^{-27}\ \mathrm{kg}$.
• Mole : Un ensemble contenant exactement $6{,}02214076\times10^{23}$ entités.

★ À maîtriser

📌 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.

📐 Formule — Le nombre de moles d’un échantillon vérifie $n=\frac{m}{M}$.

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

Compléments

• L’ion ²⁶Fe³⁺ contient 26 protons et 23 électrons, tandis que l’ion ⁸O²⁻ contient 8 protons et 10 électrons.

💡 Astuce mémo

Excès ou déficit d’électrons → formation d’un ion

📖 3. Énergie et fonction d’onde

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Une fonction mathématique permettant de calculer des grandeurs observables d’une particule quantique.

📝 Points essentiels

📌 L’état fondamental est l’état de plus basse énergie, tandis qu’un état excité possède une énergie supérieure.

📐 Formule — La densité de probabilité de présence est donnée par $\rho(r)=|\psi(r)|^2$.

💡 Astuce mémo

État fondamental stable, états excités transitoires

📖 4. Hydrogène et spectroscopie

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vérifie $E_n=-\frac{Ry}{n^2}$, avec $Ry\approx2{,}1799\times10^{-18}\ \mathrm{J}=13{,}6\ \mathrm{eV}$.

• Une transition vers un état excité nécessite une absorption d’énergie, puis le retour vers un état plus bas s’accompagne d’une émission d’énergie.

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $\varepsilon_{ph}=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, avec $h=6{,}63\times10^{-34}\ \mathrm{J\cdot s}$.

📐 Formule — Pour une transition entre deux niveaux, l’énergie du photon vérifie $\varepsilon_{ph}=|E_f-E_i|$.

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

Compléments

• Les trois séries spectrales principales sont:
  • Lyman dans l’ultraviolet
  • Balmer dans le visible
  • Paschen dans l’infrarouge

💡 Astuce mémo

Absorption ou émission → photon → raie spectrale

📖 5. Orbitales et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Une zone de l’espace associée à la fonction d’onde d’un électron, où sa probabilité de présence est élevée.
• Nombre quantique principal : Un entier positif qui caractérise principalement l’éloignement de l’électron au noyau et le volume de l’orbitale.

★ À maîtriser

• 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.

• Le nombre quantique magnétique mₗ prend les valeurs entières de −l à +l et détermine l’orientation de l’orbitale.

• Une orbitale peut contenir au maximum deux électrons de spins opposés, caractérisés par mₛ=+1/2 et mₛ=−1/2.

Compléments

• Le dessin d’une orbitale correspond généralement à une zone où l’électron a 95 % de chances d’être trouvé.

• Une orbitale s est sphérique, tandis qu’une orbitale p possède deux lobes opposés séparés par un plan nodal.

💡 Astuce mémo

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

📖 6. Configurations électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de valence : Les électrons externes qui participent notamment aux liaisons chimiques et aux processus d’ionisation.

★ À maîtriser

• Les trois principes de répartition sont:
  • Le remplissage par énergie croissante
  • Le principe d’exclusion de Pauli
  • La règle de Hund

📌 La règle de Klechkowski ordonne le remplissage selon n+l croissant, puis selon n croissant en cas d’égalité.

• L’ordre de remplissage des sous-niveaux est 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d.

Compléments

• Les configurations électroniques fondamentales de l’hélium, de l’azote et du soufre sont respectivement He : 1s², N : 1s² 2s² 2p³ et S : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁴.

• Les configurations de Cr et Mo sont de type ns¹(n−1)d⁵, tandis que celles de Cu, Ag et Au sont de type ns¹(n−1)d¹⁰.

• L’azote possède 5 électrons de valence, le cobalt 9, le zinc 2 et le plomb 4.

💡 Astuce mémo

Klechkowski → Pauli → Hund : remplir, limiter, répartir

📖 7. Classification périodique historique

★ À maîtriser

• En 1869, Mendeleïev a proposé de laisser des cases vides dans la classification périodique pour prévoir l’existence d’éléments encore inconnus.

Compléments

• La découverte ultérieure du gallium et du germanium a permis de compléter les cases situées sous l’aluminium et sous le silicium.

• Le technétium et le prométhium ne possèdent que des isotopes radioactifs et ont disparu à l’état naturel, mais peuvent être synthétisés par radioactivité artificielle.

💡 Astuce mémo

Décalages observés → cases vides de Mendeleïev → éléments découverts

📖 8. Construction du tableau périodique

★ À maîtriser

• En 1869, Mendeleïev a laissé des cases vides dans le tableau périodique en prévoyant l’existence d’éléments encore inconnus.

Compléments

• Les premières classifications regroupaient les éléments selon leur réactivité et leur masse, mais présentaient des décalages périodiques inexpliqués.

• La découverte du gallium et du germanium a permis de remplir les cases situées respectivement sous l’aluminium et sous le silicium.

💡 Astuce mémo

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

📖 9. Familles périodes et blocs électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Famille chimique : Rassemble des éléments d’une même colonne possédant des propriétés chimiques analogues grâce à une configuration électronique identique sur leurs niveaux de valence, à la valeur de nmax près
• Gaz nobles : Les éléments de la dernière colonne, généralement gazeux et très peu réactifs, dont la configuration électronique de valence est ns2 np6, sauf l’hélium qui possède 1s2

★ À maîtriser

• Les périodes contiennent successivement 2, 8, 8, 18 éléments ou davantage, et le numéro atomique Z augmente dans le tableau de gauche à droite puis de haut en bas.

• Les blocs du tableau correspondent au remplissage des sous-niveaux s, p, d et f : le bloc s comprend 2 colonnes, le bloc d 10 colonnes, le bloc p 6 colonnes et le bloc f 14 colonnes.

📌 La valeur de n la plus grande dans la configuration électronique d’un élément indique la période dans laquelle il se situe, tandis que dans les blocs s et p le numéro de colonne indique le nombre d’électrons de valence.

Compléments

• La première période contient l’hydrogène de configuration 1s1 et l’hélium de configuration 1s2, et se termine lorsque le niveau 1s est saturé.

• Les alcalins sont en configuration ns1, les alcalino-terreux en ns2, les halogènes en ns2 np5, et les lanthanides et actinides constituent les deux lignes du bloc f.

💡 Astuce mémo

Famille = même valence ; période = même niveau n maximal

📖 10. Tendances périodiques des propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Première ionisation : La réaction par laquelle un atome gazeux perd un électron de valence et devient un cation gazeux, et l’énergie correspondante est toujours positive
• Affinité électronique : L’énergie libérée lorsqu’un électron se fixe à un atome neutre en phase gazeuse, et elle est comptée positivement par convention

★ À maîtriser

📌 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 dans une colonne vers le bas et augmente dans une période de gauche à droite, globalement à l’inverse du rayon atomique.

Compléments

• Dans une période, l’augmentation de la charge nucléaire attire davantage les électrons de même niveau et contracte progressivement le rayon atomique.

• L’énergie de première ionisation de l’oxygène est plus faible que celle de l’azote, car la configuration 2p3 de l’azote est relativement stable.

💡 Astuce mémo

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

📖 11. Ions et électronégativité

🔑 Notions clés & Définitions

• Espèces isoélectroniques : Possèdent le même nombre d’électrons et donc la même configuration électronique, comme O2-, F- et Na+ qui ont la configuration 1s2 2s2 2p6
• Électronégativité : Quantifie la tendance d’un atome à attirer un électron ou à céder un électron à un autre atome

★ À maîtriser

📌 Les atomes des blocs s et p tendent à atteindre la configuration stable d’un gaz noble en perdant ou en captant des électrons, ou en les partageant dans des liaisons chimiques.

• Les alcalins forment préférentiellement des cations X+, les alcalino-terreux des cations X2+, les éléments ns2 np3, ns2 np4 et ns2 np5 des anions X3-, X2- et X-, respectivement.

📌 L’électronégativité diminue en descendant dans une colonne et augmente de gauche à droite dans une période ; le césium est l’élément le moins électronégatif et le fluor le plus électronégatif.

Compléments

📐 Formule — Selon Mulliken, l’électronégativité est la demi-somme de l’énergie de première ionisation et de l’affinité électronique : $\chi = \frac{E_i + E_A}{2}$.

📐 Formule — Selon l’échelle de Pauling, la différence d’électronégativité entre A et B vérifie $\Delta\chi_{AB}=0{,}102\times\left(E_{AB}-\sqrt{E_{AA}E_{BB}}\right)^{1/2}$, avec les énergies de liaison exprimées en kJ.mol−1.

• Une grande différence d’électronégativité entre le césium, de valeur 0,8, et le fluor, de valeur 4, entraîne le transfert total d’un électron et la formation des ions Cs+ et F-.

💡 Astuce mémo

Différence d’électronégativité élevée → transfert électronique → ions opposés

📊 Tableaux de synthèse

Types de particules et propriétés

Tendances périodiques principales