Fiche de révision : Atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Constitution et identification des atomes
2. Électron et noyau atomique
3. Rayonnement et niveaux d’énergie
4. Modèles de Rutherford et Bohr
5. Mécanique quantique et orbitales
6. Atomes polyélectroniques
7. Configuration électronique
8. Classification périodique
9. Propriétés périodiques
10. Radioactivité et applications

📖 1. Constitution et identification des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Le nombre de protons du noyau et, pour un atome neutre, le nombre d’électrons.

📝 Points essentiels

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

📌 Les isotopes ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents, tandis que les isobares ont le même A et des numéros atomiques différents.

• Le nombre d’Avogadro vaut $N_A = 6{,}0221 \times 10^{23}$ entités par mole.

💡 Astuce mémo

Z identifie l’élément, A compte les nucléons

📖 2. Électron et noyau atomique

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléon : Une particule du noyau, qui peut être un proton ou un neutron.

📝 Points essentiels

• Les rayons cathodiques sont déviés vers le pôle positif par un champ électrique, ce qui montre que leurs particules sont chargées négativement.

• La charge de l’électron vaut -1,602 × 10^-19 C et sa masse vaut 9,108 × 10^-31 kg.

• Dans l’expérience de Rutherford, la quasi-totalité des particules alpha traverse la feuille d’or sans déviation, une partie est déviée et une très faible quantité est repoussée.

💡 Astuce mémo

Déviation vers le pôle positif → charge négative de l’électron

📖 3. Rayonnement et niveaux d’énergie

★ À maîtriser

📐 Formule — La relation de Planck donne $\Delta E = |E_f-E_i| = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$.

📐 Formule — La longueur d’onde, le nombre d’onde et la fréquence vérifient $\lambda = \frac{1}{\sigma} = \frac{c}{\nu}$.

• Lorsqu’un électron passe d’un niveau inférieur n à un niveau supérieur p, il absorbe une radiation, tandis que le passage de p vers n provoque une émission.

Compléments

• Le spectre visible de l’atome d’hydrogène présente notamment des raies de longueurs d’onde 410, 434, 486 et 656 nm.

💡 Astuce mémo

Absorption : n → p ; émission : p → n

📖 4. Modèles de Rutherford et Bohr

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Bohr : Bohr — Décrit l’atome d’hydrogène comme un noyau immobile autour duquel l’électron circule sur des orbites stationnaires quantifiées.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La quantification du moment cinétique dans le modèle de Bohr s’écrit $mvr = \frac{nh}{2\pi}$.

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie totale du niveau n vaut $E_n = -\frac{me^4}{8\varepsilon_0^2h^2n^2}$.

• À l’état fondamental de l’hydrogène, le rayon vaut 5,29 × 10^-11 m et l’énergie vaut -13,6 eV.

💡 Astuce mémo

Rutherford prévoit une chute continue, Bohr impose des orbites stationnaires

📖 5. Mécanique quantique et orbitales

📝 Points essentiels

📐 Formule — La relation de De Broglie associe à une particule de quantité de mouvement mv une longueur d’onde $\lambda = \frac{h}{mv}$.

📐 Formule — Le principe d’incertitude d’Heisenberg s’écrit $\Delta x\,\Delta p_x \geq \frac{h}{2\pi}$.

📐 Formule — La probabilité de présence dans un volume dV est donnée par $dP = |\Psi(x,y,z,t)|^2 dV$.

• Les nombres quantiques vérifient n = 1, 2, 3,…, 0 ≤ l ≤ n-1 et -l ≤ m ≤ l, tandis que le spin prend les valeurs +1/2 ou -1/2.

💡 Astuce mémo

n définit la couche, l la sous-couche, m l’orbitale, le spin complète l’état

📖 6. Atomes polyélectroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge nucléaire effective : Slater — La charge apparente du noyau ressentie par un électron après l’effet d’écran des autres électrons.

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans l’approximation de Slater, la charge nucléaire effective vérifie $Z^* = Z - \sigma$.

📌 Dans l’atome d’hydrogène, les orbitales d’une même couche sont dégénérées, tandis que dans un atome polyélectronique leur énergie dépend de n et de l et la dégénérescence est partiellement levée.

Compléments

📐 Formule — Dans l’approximation des particules indépendantes, le niveau d’énergie s’écrit $E_n = E_1\frac{Z^{*2}}{n^2}$ avec E1 = -13,6 eV.

💡 Astuce mémo

Répulsion électronique → écran → charge nucléaire effective

📖 7. Configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : La répartition des électrons d’un atome dans les orbitales atomiques à l’état fondamental.

★ À maîtriser

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

• La règle de Hund impose que les électrons occupent d’abord le maximum d’orbitales de même énergie avec des spins parallèles.

• La règle de Klechkowski ordonne les sous-couches selon les valeurs croissantes de n+l et, en cas d’égalité, selon la plus petite valeur de n. — KLECHKOVSKI

Compléments

• Les exceptions de configuration électronique concernent notamment le chrome de Z = 24 et le cuivre de Z = 29, en raison du faible écart énergétique entre 4s et 3d.

💡 Astuce mémo

Stabilité, Pauli, Hund, Klechkowski

📖 8. Classification périodique

📝 Points essentiels

• En 1869, Dimitri Mendelieff a proposé une classification fondée sur la périodicité des propriétés des éléments et a laissé des cases vides pour des éléments encore inconnus.

• Le tableau périodique comporte 7 périodes, 18 colonnes et 4 blocs nommés s, p, d et f.

📌 Les éléments d’une même période occupent une ligne horizontale, tandis que les éléments d’un même groupe occupent une colonne et possèdent des propriétés chimiques analogues.

• Les alcalins ont une configuration périphérique ns1, les alcalino-terreux ns2, les halogènes ns2np5 et les gaz nobles ns2np6.

📖 9. Propriétés périodiques

★ À maîtriser

• Le rayon atomique diminue quand Z augmente dans une période et augmente quand Z augmente dans un groupe.

• Le rayon d’un cation est inférieur à celui de l’atome correspondant, tandis que le rayon d’un anion est supérieur à celui de l’atome correspondant.

• L’énergie de première ionisation augmente dans une période et diminue dans un groupe lorsque Z augmente.

• Un atome diamagnétique ne possède aucun électron célibataire et a une somme totale des spins nulle, tandis qu’un atome paramagnétique possède des électrons célibataires.

Compléments

📐 Formule — Selon Mulliken, l’électronégativité vérifie $\chi(X)=\frac{P.I(X)+A.E(X)}{2}$. — Robert Mulliken

💡 Astuce mémo

Dans une période le rayon diminue, dans un groupe il augmente

📖 10. Radioactivité et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioactivité naturelle : La désintégration spontanée de certains noyaux instables présents dans la nature avec émission d’un rayonnement.

📝 Points essentiels

• Henri Becquerel a découvert la radioactivité en 1896.

• Les grandeurs conservées sont:

  • la somme énergie-masse
  • le nombre de nucléons
  • la charge électrique

📐 Formule — Le défaut de masse est associé à l’énergie de stabilisation du noyau par la relation d’Einstein $\Delta E = \Delta m c^2$.

📐 Formule — La désintégration bêta moins s’écrit $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A}_{Z+1}Y + ^{0}_{-1}e + \Delta E$ et conserve le nombre de masse A.

📐 Formule — La désintégration alpha s’écrit $^{A}_{Z}X \rightarrow ^{A-4}_{Z-2}Y + ^{4}_{2}He$.

• La datation au carbone 14 repose sur la décroissance du carbone 14 après la mort d’un organisme, dont la période radioactive vaut 5730 ans.

💡 Astuce mémo

Père → rayonnement → fils → application

📊 Tableaux de synthèse

Familles principales du tableau périodique