Fiche de révision : Chimie atomistique et structure électronique

📋 Plan du Cours

1. Constitution de l’atome
2. Nucléides et isotopes
3. Masse atomique et abondance
4. Classification périodique
5. Dualité et mécanique quantique
6. Nombres quantiques et orbitales
7. Énergies et configurations électroniques
8. Formes et pénétration orbitalaires

📅 Repères chronologiques

1. Vᵉ siècle avant J.-C.Démocrite et Empédocle introduisent le terme « atomos » et proposent une matière constituée de particules indivisibles.
2. 1803John Dalton établit le premier modèle de la structure de la matière fondé sur l’existence des atomes.
3. 1869Mendeleïev classe les éléments selon leur masse atomique et la périodicité de leurs propriétés chimiques.
4. 1897Joseph Thomson met en évidence l’électron grâce au tube de Crooks.
5. 1909Rutherford met en évidence un noyau central positif par bombardement d’une feuille d’or avec des particules α.
6. 1913Le modèle de Bohr décrit les électrons sur des orbites quantifiées d’énergies précises.
7. 1926Le modèle de Schrödinger décrit l’électron comme une onde stationnaire et probabiliste.

📖 1. Constitution de l’atome

★ À maîtriser

• Les protons portent une charge positive égale en valeur absolue à la charge de l’électron, tandis que les neutrons sont neutres et ont une masse voisine de celle du proton.

Compléments

• La masse de l’électron vaut 9,1094 × 10⁻³¹ kg et sa charge vaut −1,602 × 10⁻¹⁹ C.

• La masse du proton vaut 1,6724 × 10⁻²⁷ kg et sa charge vaut +1,602 × 10⁻¹⁹ C.

• La masse du neutron vaut 1,6747 × 10⁻²⁷ kg et sa charge est nulle.

💡 Astuce mémo

Proton positif, neutron neutre, électron négatif

📖 2. Nucléides et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Nombre de protons du noyau et déterminant la place de l’élément dans le tableau périodique ; un atome neutre possède également Z électrons.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le nombre de masse A est la somme du nombre de protons Z et du nombre de neutrons N : $A = Z + N$.

📌 Deux isotopes ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents ; deux isobares ont le même nombre de masse A mais des numéros atomiques différents ; deux isotones ont le même nombre de neutrons N mais appartiennent à des éléments différents.

• L’atome de fer ⁵⁶₂₆Fe contient 26 protons, 26 électrons et 30 neutrons.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A ; isotones : même N

📖 3. Masse atomique et abondance

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Unité de masse relative définie à partir du carbone 12, dont la masse vaut 12 u ; sa valeur est environ 1,6606 × 10⁻²⁷ kg.
• Masse atomique relative : Moyenne pondérée des masses de ses isotopes selon leurs abondances isotopiques.

★ À maîtriser

📐 Formule — La masse atomique relative se calcule par $m_r = \frac{\sum_i m_i \times \%_i}{100}$.

Compléments

• Pour le chlore, les abondances de ³⁵Cl et ³⁷Cl sont respectivement 75,77 % et 24,23 %, ce qui donne une masse atomique relative d’environ 35,48 u.

💡 Astuce mémo

Abondances isotopiques → moyenne pondérée → masse atomique relative

📖 4. Classification périodique

★ À maîtriser

• Les principales familles citées sont:
  • alcalins
  • alcalino-terreux
  • halogènes
  • chalcogènes
  • gaz rares
  • métaux de transition

Compléments

• La diagonale allant du bore B à l’astate At sépare généralement les métaux à gauche des non-métaux à droite.

💡 Astuce mémo

Triades → vis tellurique → octaves → Mendeleïev

📖 5. Dualité et mécanique quantique

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Fonction mathématique stationnaire décrivant l’état quantique de l’électron, tandis que son carré du module détermine la densité de probabilité de présence.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie d’un photon est donnée par $E = h\nu$, où h est la constante de Planck et ν la fréquence.

📌 Dans l’effet photoélectrique, si la fréquence ν est inférieure à la fréquence seuil ν₀, aucun électron n’est extrait quelle que soit l’intensité ; si ν est supérieure à ν₀, l’émission peut avoir lieu même à faible intensité.

📐 Formule — La longueur d’onde de De Broglie associée à une particule est $\lambda = \frac{h}{p}$.

📐 Formule — Le principe d’incertitude de Heisenberg s’écrit $\Delta r \times \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$. — Werner Heisenberg, 1927

💡 Astuce mémo

Classique : trajectoire certaine ; quantique : probabilité de présence

📖 6. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Définit la couche électronique, prend les valeurs entières positives n = 1, 2, … et augmente avec la taille et l’énergie de la couche.
• Nombre quantique orbital : Définit la sous-couche et peut prendre les valeurs entières de 0 à n − 1 ; l = 0, 1, 2, 3 correspond respectivement aux sous-couches s, p, d et f.
• Nombre quantique magnétique : Décrit l’orientation de l’orbitale et prend les valeurs entières comprises entre −l et +l.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La densité de probabilité de trouver l’électron dans un volume dV est $dP = |\Psi|^2 dV$, et la normalisation impose $\iiint |\Psi|^2 dV = 1$.

• Pour une valeur donnée de l, le nombre d’orbitales atomiques est $2l + 1$.

📌 Le nombre quantique de spin mₛ vaut +1/2 ou −1/2 et deux électrons ne peuvent pas posséder simultanément les quatre mêmes nombres quantiques n, l, mₗ et mₛ.

💡 Astuce mémo

n-l-mᵢ-mₛ : couche, sous-couche, orientation, spin

📖 7. Énergies et configurations électroniques

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un atome hydrogénoïde, l’énergie électronique est $E_n = -13{,}6\frac{Z^2}{n^2}\ \mathrm{eV}$.

📌 Dans l’atome d’hydrogène, fournir au moins 13,6 eV permet d’atteindre E = 0 et d’arracher l’électron : l’atome est alors ionisé.

📌 Dans l’atome d’hydrogène, les orbitales 2s et 2p sont dégénérées et ont la même énergie, tandis que dans un atome polyélectronique la répulsion électron-électron lève cette dégénérescence et place 2s à une énergie inférieure à 2p.

• La configuration électronique d’un atome polyélectronique se construit en remplissant les orbitales selon l’ordre énergétique de la règle de Klechkowski.

Compléments

• L’atome d’azote possède la configuration électronique N(1s² 2s² 2p³), soit 7 électrons.

💡 Astuce mémo

État fondamental → excitation → ionisation

📖 8. Formes et pénétration orbitalaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Nœud orbital : Région de l’espace où la probabilité de trouver l’électron est nulle ; une orbitale s de nombre quantique principal n possède n − 1 nœuds radiaux.

★ À maîtriser

• Les orbitales s sont sphériques, tandis que les orbitales p possèdent deux lobes séparés par un plan nodal et orientés selon un axe.

📌 Les électrons des orbitales internes écrantent le noyau pour les électrons externes ; ainsi, les orbitales 2s sont plus pénétrantes que 2p, et 3s sont plus pénétrantes que 3p puis 3d.

📌 L’orbitale 4s se remplit avant les orbitales 3d car elle est plus pénétrante, même si cette règle connaît des exceptions pour le cuivre Cu et le chrome Cr.

Compléments

• Les orbitales d comprennent d_z² et d_x²−y² orientées selon les axes, ainsi que d_xy, d_xz et d_yz orientées selon les bissectrices des axes concernés.

• Pour l’orbitale 1s de l’hydrogène, la probabilité radiale maximale se situe à la distance a₀ = 0,053 nm du noyau.

💡 Astuce mémo

Orbitales s sphériques ; p bidirectionnelles ; d orientées

📊 Tableaux de synthèse

Relations entre particules nucléaires