Fiche de révision : Chimie atomistique PASS

📋 Plan du Cours

1. Structure et constituants de l’atome
2. Éléments chimiques et isotopes
3. Abondance et masse isotopique
4. Rayonnement et énergie
5. Nombres quantiques électroniques
6. Diagrammes et transitions énergétiques
7. Atomes polyélectroniques et écran
8. Configurations électroniques et ions

📖 1. Structure et constituants de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Entité fondamentale de la matière, constituée d’un noyau formé de protons et de neutrons autour duquel se déplacent des électrons.

★ À maîtriser

• L’électron porte la charge $q=-e=-1{,}6022\times10^{-19}\ \mathrm{C}$ et possède une masse de $9{,}1095\times10^{-31}\ \mathrm{kg}$.

• Le proton porte la charge $q=+e=+1{,}6022\times10^{-19}\ \mathrm{C}$ et sa masse vaut $1{,}6726\times10^{-27}\ \mathrm{kg}=1836\,m_e$.

Compléments

• Le noyau a un diamètre d’environ 10⁻¹⁴ m, tandis que l’atome avec son nuage électronique a un diamètre d’environ 10⁻¹⁰ m, soit un facteur 10⁴.

💡 Astuce mémo

Un petit pois nucléaire au centre d’un stade de France presque vide

📖 2. Éléments chimiques et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Espèce caractérisée par un symbole X, un numéro atomique Z égal au nombre de protons et un nombre de masse A égal au nombre de protons et de neutrons.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le nombre de neutrons d’un nucléide vérifie $N=A-Z$.

📌 Des isotopes sont des atomes d’un même élément chimique qui possèdent le même nombre de protons mais des nombres de masse différents, donc des nombres de neutrons différents.

Compléments

• Les trois isotopes naturels de l’hydrogène sont:
  • le protium sans neutron
  • le deutérium avec un neutron
  • le tritium, beaucoup plus rare et présent à l’état de traces

💡 Astuce mémo

Même Z = même élément ; même Z mais A différent = isotopes

📖 3. Abondance et masse isotopique

🔑 Notions clés & Définitions

• Abondance naturelle isotopique : Pourcentage massique d’un isotope dans l’élément naturel.

★ À maîtriser

• La masse molaire d’un élément est la moyenne pondérée des masses molaires de ses isotopes par leurs abondances naturelles.

• Pour le carbone, la moyenne pondérée donnée est $M(C)=12\times0{,}9889+13{,}0063\times0{,}0111=12{,}0112\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$, tandis que le carbone 14, présent à l’état de traces, est négligé.

Compléments

• Lorsque plusieurs isotopes ont des masses molaires proches et aucune abondance dominante, la masse molaire de l’élément s’écarte davantage d’un nombre entier.

💡 Astuce mémo

Abondances isotopiques → moyenne pondérée → masse molaire élémentaire

📖 4. Rayonnement et énergie

★ À maîtriser

• Le spectre électromagnétique comprend des rayonnements de longueurs d’onde réparties continûment, des rayons gamma aux ondes radio, avec le visible entre 400 et 800 nm.

• Lorsqu’un atome reçoit de l’énergie thermique, électrique ou électromagnétique, il peut la restituer sous forme de rayonnement lumineux analysable avec un spectroscope.

📌 Chaque élément chimique possède un spectre d’émission de raies qui constitue sa signature énergétique.

📐 Formule — Selon Planck, l’énergie d’un quantum de fréquence ν vérifie $E=h\nu$, avec $h=6{,}626\times10^{-34}\ \mathrm{J\,s}$. — Max Planck, 1900

Compléments

📐 Formule — L’énergie d’un photon de longueur d’onde λ vérifie $E=\frac{hc}{\lambda}$, avec $c\approx3{,}00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}$. — Einstein

💡 Astuce mémo

Petite longueur d’onde = grande fréquence et grande énergie

📖 5. Nombres quantiques électroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombres quantiques : Nombres entiers ou demi-entiers qui décrivent l’état quantique d’un système et les valeurs discrètes de ses grandeurs observables.

★ À maîtriser

• Le nombre quantique principal n appartient aux entiers naturels strictement positifs, donc n=1,2,3,… et n=0 est impossible ; il définit la couche électronique.

• Le nombre quantique secondaire l vérifie $0\le l\le n-1$ et définit la sous-couche électronique.

• Le nombre quantique magnétique mₗ vérifie $-l\le m_l\le l$ et décrit les orbitales atomiques ; une sous-couche contient $2l+1$ orbitales de même énergie.

• Pour une couche de nombre quantique principal n fixé, le nombre total d’états électroniques possibles est $2n^2$.

Compléments

📌 Le nombre quantique de spin mₛ vaut +1/2 ou −1/2 et correspond aux deux orientations possibles du spin électronique.

💡 Astuce mémo

n → l → mₗ → mₛ : couche, sous-couche, orbitale, spin

📖 6. Diagrammes et transitions énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Diagramme énergétique : Représentation des niveaux d’énergie d’un atome classés par ordre croissant.
• Ion hydrogénoïde : Ion possédant Z protons et un seul électron ; son diagramme énergétique est analogue à celui de l’hydrogène, mais ses niveaux dépendent aussi de Z².

📝 Points essentiels

• Pour l’hydrogène, l’état de référence d’énergie nulle est atteint lorsque n tend vers l’infini et correspond à l’ionisation de l’atome.

• Lors d’une absorption, un électron passe d’un niveau E1 vers un niveau supérieur E2 en absorbant un photon d’énergie $E=h\nu=E_2-E_1$.

• Lors d’une émission, un électron passe d’un niveau E2 vers un niveau inférieur E1 en cédant un photon d’énergie $E=h\nu=E_2-E_1$.

💡 Astuce mémo

Absorption : montée ; émission : descente

📖 7. Atomes polyélectroniques et écran

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge nucléaire effective : Charge ressentie par un électron d’un atome polyélectronique après prise en compte de l’effet d’écran exercé par les autres électrons.

★ À maîtriser

• Le modèle de Slater permet de calculer l’énergie des niveaux électroniques des atomes polyélectroniques en tenant compte de l’effet d’écran.

📌 Pour calculer l’effet d’écran d’un électron étudié, on ne considère que les électrons situés avant lui et ceux de la même sous-couche, mais pas ceux placés après lui.

Compléments

• Pour le chlore, de configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵ et de numéro atomique Z=17, le calcul de Slater donne Z*=17−(6×0,35)−(8×0,85)−(2×1)=6,1.

💡 Astuce mémo

Électrons internes → effet d’écran → charge nucléaire effective Z*

📖 8. Configurations électroniques et ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Répartition des électrons d’un atome ou d’un ion dans les cases quantiques et les niveaux d’énergie.

📝 Points essentiels

• Deux électrons d’un même atome ne peuvent pas avoir leurs quatre nombres quantiques identiques ; deux électrons d’une même orbitale ont donc des spins opposés. — PAULI

• Dans un atome polyélectronique, les sous-couches se remplissent par ordre croissant de n+l ; à égalité de n+l, la sous-couche de plus petit n se remplit d’abord. — KLECHKOWSKI

• Dans un niveau dégénéré partiellement rempli, l’état le plus stable occupe un maximum d’orbitales avec des spins non appariés parallèles. — HUND

• Les électrons de cœur occupent les sous-couches internes totalement remplies et participent généralement peu à la réactivité, tandis que les électrons de valence sont les plus externes ou appartiennent à une sous-couche en cours de remplissage et déterminent la réactivité.

• Pour former un anion, on ajoute des électrons en respectant les règles de remplissage, tandis que pour former un cation, on retire les électrons de valence de la couche de plus grand n de l’atome neutre.

• Les configurations électroniques du chrome sont Cr (Z=24) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d⁵, et du cuivre Cu (Z=29) : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s¹ 3d¹⁰.

💡 Astuce mémo

Pauli, Klechkowski, Hund, puis configuration des ions

📊 Tableaux de synthèse

Nombres quantiques et structures associées

Transitions électroniques