Fiche de révision : Chimie et physique atomique

📋 Plan du Cours

1. Modèle quantique et nombres quantiques
2. Composition et classification des espèces
3. Configuration électronique
4. Classification périodique et propriétés
5. Liaisons chimiques de Lewis
6. Modèle de Lewis et liaisons
7. Orbitales moléculaires σ et π
8. Méthode VSEPR et géométrie
9. États physiques et interactions
10. Nucléides et classification périodique
11. Particules et forces fondamentales
12. Modèles atomiques et énergie
13. Électronvolt et énergies de liaison
14. Transitions électroniques et spectres
15. Masse nucléaire et énergie de liaison

📅 Repères chronologiques

1. 1803John Dalton propose une théorie selon laquelle la matière est constituée d’atomes insécables qui se réarrangent lors des réactions chimiques
2. 1869Mendeleïev propose une classification des éléments organisée initialement par masse atomique croissante
3. 1897Joseph John Thomson décrit l’atome comme des électrons plongés dans une soupe de charges positives, l’ensemble étant électriquement neutre — Joseph John Thompson, 1897
4. 1911Rutherford propose un modèle planétaire dans lequel un noyau central est entouré d’électrons et où l’atome est constitué à 99,99 % de vide
5. 1911Rutherford propose un modèle planétaire de l’atome fondé sur l’expérience de la feuille d’or
6. 1913Niels Bohr postule que l’électron ne peut occuper que certaines orbites correspondant à des niveaux d’énergie constants
7. 1913Bohr propose que les électrons ne puissent occuper que certaines orbites quantifiées caractérisées par un nombre quantique principal n

📖 1. Modèle quantique et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Décrit l’état ondulatoire de l’électron, et Ψ² représente la densité de probabilité de trouver l’électron en un point de l’espace.
• Nombres quantiques : L’état d’un électron est identifié par quatre nombres quantiques : n, l, m et s.

★ À maîtriser

• Le nombre quantique secondaire l définit une sous-couche et prend les valeurs entières de 0 à n−1, correspondant notamment à s pour 0, p pour 1, d pour 2 et f pour 3.

Compléments

• Le nombre quantique principal n définit la couche électronique et peut prendre les valeurs n = 1, 2, 3, 4, 5 et 6, associées respectivement aux couches K, L, M, N, O et P.

• Le nombre quantique magnétique m caractérise les niveaux d’énergie d’une sous-couche et possède 2l+1 valeurs entières comprises entre −l et +l.

• Le nombre quantique de spin s décrit l’orientation du moment magnétique de l’électron et vaut −1/2 ou +1/2.

💡 Astuce mémo

Trajectoire de Bohr ≠ probabilité de présence quantique

📖 2. Composition et classification des espèces

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : Ensemble des atomes dont les noyaux contiennent le même nombre de protons Z et le même nombre de neutrons N.
• Isotope : Espèce chimique dont les atomes possèdent le même nombre de protons Z mais un nombre de neutrons N différent.
• Ion : Atome ou groupe d’atomes liés qui porte une charge positive ou négative.
• Molécule : Groupe défini et indépendant d’atomes liés dont l’agencement est particulier.

📝 Points essentiels

• Le chlore naturel est constitué de 75,4 % de 35Cl avec N = 18 et de 24,6 % de 37Cl avec N = 20.

📌 Un corps simple contient un seul élément chimique, un corps composé associe au moins deux éléments différents, tandis qu’un mélange rassemble des substances sans liaison chimique entre elles.

💡 Astuce mémo

Nucléide : Z et N ; élément : Z seul

📖 3. Configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Décrit la distribution des Z électrons d’un atome entre les couches, les sous-couches et les cases quantiques.

★ À maîtriser

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir la même combinaison des quatre nombres quantiques et limite à deux le nombre d’électrons par case quantique.

• 🔄 La règle de Klechkowski ordonne le remplissage énergétique des sous-couches selon la séquence:
  1. 1s
  2. 2s
  3. 2p
  4. 3s
  5. 3p
  6. 4s
  7. 3d
  8. 4p
  9. 5s
  10. 4d

📌 La règle de Hund impose de placer d’abord un électron dans chaque case quantique de même énergie avant d’apparier les électrons.

Compléments

• Un atome excité possède au moins un électron ayant reçu un supplément d’énergie et revenant vers l’état fondamental avec émission d’un photon.

💡 Astuce mémo

Klechkowski remplit, Pauli limite, Hund répartit

📖 4. Classification périodique et propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronégativité : Tendance d’un élément à attirer un électron lorsqu’il est associé à d’autres éléments.

★ À maîtriser

• Dans la classification moderne, les éléments sont ordonnés par numéro atomique Z croissant et répartis en périodes et en familles selon leur configuration électronique.

• Les quatre blocs du tableau périodique comportent respectivement:

  • 2 colonnes pour s
  • 6 colonnes pour p
  • 10 colonnes pour d
  • 14 colonnes pour f

• Les éléments d’une même famille ont une configuration électronique externe comparable et des propriétés chimiques proches, tandis que les éléments d’une même période possèdent le même nombre de couches électroniques.

• L’électronégativité augmente de gauche à droite dans une période et diminue du haut vers le bas dans une famille ; le fluor a la valeur 4 dans l’échelle de Pauling.

• Un cation est un ion positif formé par perte d’un ou plusieurs électrons, tandis qu’un anion est un ion négatif formé par gain d’un ou plusieurs électrons.

Compléments

📌 Selon la règle de Sanderson, un élément est un non-métal si le nombre d’électrons de sa couche externe est supérieur au numéro de sa période ; sinon, il est considéré comme un métal.

💡 Astuce mémo

Configuration électronique → position périodique → propriétés chimiques

📖 5. Liaisons chimiques de Lewis

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison covalente : Résulte de la mise en commun d’un doublet d’électrons de valence entre deux atomes.
• Liaison ionique : Résulte du transfert intégral d’électrons d’un élément vers un autre et est essentiellement électrostatique.
• Liaison dative : Liaison covalente dont les deux électrons proviennent d’un seul des atomes liés.

★ À maîtriser

📌 La règle du duet et de l’octet indique que chaque atome tend à saturer sa couche externe pour adopter la configuration électronique du gaz noble le plus proche.

Compléments

• Les liaisons multiples résultent de la mise en commun répétée de doublets liants et peuvent être doubles ou triples, comme dans O₂ et N₂.

💡 Astuce mémo

Covalente : partage ; ionique : transfert

📖 6. Modèle de Lewis et liaisons

🔑 Notions clés & Définitions

• Règle du duet et de l’octet : stipule que chaque atome tend, lors de la formation d’une liaison, à saturer sa couche externe pour acquérir la structure électronique du gaz rare le plus proche
• Liaison dative : liaison covalente formée à partir de deux électrons fournis par un seul des atomes liés, qui possède un doublet libre, tandis que l’autre possède une lacune électronique

📝 Points essentiels

📌 Dans une liaison covalente pure, chaque atome apporte un électron célibataire et le doublet liant est partagé par les deux atomes, tandis qu’une liaison ionique résulte d’un transfert d’électrons entre éléments d’électronégativités très différentes.

💡 Astuce mémo

Covalente : partage des électrons ; dative : un seul atome fournit le doublet

📖 7. Orbitales moléculaires σ et π

★ À maîtriser

📌 Une orbitale moléculaire σ résulte d’un recouvrement axial et permet la rotation libre autour de l’axe internucléaire, tandis qu’une orbitale moléculaire π résulte d’un recouvrement latéral et rend la liaison rigide.

Compléments

• Lors de la formation de la molécule A-B, les n orbitales atomiques de A et les m orbitales atomiques de B se réarrangent en n+m orbitales moléculaires, chaque couple d’orbitales atomiques donnant une orbitale liante et une orbitale antiliante.

💡 Astuce mémo

σ tourne librement ; π bloque la rotation

📖 8. Méthode VSEPR et géométrie

📝 Points essentiels

• 🔄 La méthode VSEPR suit quatre étapes:

  1. Établir la structure de Lewis
  2. Compter les doublets liants et non liants autour de l’atome central
  3. Placer les doublets à même distance de l’atome central
  4. Arranger les doublets pour minimiser leurs répulsions

• Les figures de répulsion sont linéaire à 2 doublets avec un angle de 180°, triangulaire plane à 3 doublets avec un angle de 120°, tétraédrique à 4 doublets avec un angle de 109,5°, bipyramidale trigonale à 5 doublets avec des angles de 90° et 120°, et octaédrique à 6 doublets avec un angle de 90°.

📌 Une molécule AXm sans doublet non liant sur A possède une géométrie identique à sa figure de répulsion, tandis que la présence de doublets non liants modifie la géométrie moléculaire.

💡 Astuce mémo

Lewis → compter les doublets → minimiser les répulsions → déduire la géométrie

📖 9. États physiques et interactions

🔑 Notions clés & Définitions

• Forces de Van der Waals : interactions intermoléculaires comprenant les forces de London entre dipôles induits, les forces de Keesom entre dipôles permanents et les liaisons hydrogène

★ À maîtriser

• Les changements d’état endothermiques sont:

  • Fusion : solide vers liquide
  • Sublimation : solide vers gaz
  • Vaporisation : liquide vers gaz

• Lors d’un changement d’état, la masse est conservée mais le volume ne l’est pas, et l’état physique dépend principalement de la température et de la pression.

• Une différence d’électronégativité comprise entre 0,4 et 1,7 correspond à une liaison polarisée, tandis qu’une différence supérieure à 1,7 correspond à une liaison ionique et une différence nulle ou faible à une liaison covalente pure.

📌 Le CO2 est apolaire car ses deux moments dipolaires opposés s’annulent dans une géométrie linéaire, tandis que H2O est polaire car sa géométrie coudée empêche l’annulation vectorielle.

📌 Dans une même série de composés, la température de fusion ou d’ébullition augmente globalement avec la masse molaire, tandis que les interactions de Keesom et les liaisons hydrogène intermoléculaires augmentent aussi ces températures.

Compléments

📐 Formule — Un Debye vaut $1\,\mathrm{D}=3{,}33\times10^{-30}\,\mathrm{C\cdot m}$.

• Les forces de Van der Waals ont une énergie inférieure à 50 kJ.mol^-1, tandis que les liaisons covalentes ont une énergie supérieure à 100 kJ.mol^-1.

💡 Astuce mémo

Énergie thermique croissante → interactions affaiblies → particules plus mobiles

📖 10. Nucléides et classification périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Nucléide : espèce de noyau caractérisée par son numéro atomique Z, son nombre de masse A et son état énergétique stable ou instable

★ À maîtriser

• Un isotope conserve le même numéro atomique Z mais possède un nombre de neutrons N différent, ce qui modifie également son nombre de masse A.

• L’iode naturel 127I possède Z=53, N=74 et A=127, et sert de produit de contraste radiologique opaque.

Compléments

• La matière baryonique représente 5 % de l’Univers, contre 25 % pour la matière sombre et 70 % pour l’énergie noire.

• Les principaux isotopes médicaux de l’iode sont:

  • 127I : produit de contraste radiologique opaque
  • 123I : imagerie du métabolisme thyroïdien
  • 125I : dosage biologique par radio-immuno-analyse
  • 131I : radiothérapie métabolique des cancers de la thyroïde

💡 Astuce mémo

Z fixe l’élément ; N variable forme les isotopes

📖 11. Particules et forces fondamentales

★ À maîtriser

• Les nucléons ont une masse de l’ordre de 1,6×10^-27 kg, le proton porte une charge de +1,6×10^-19 C, le neutron est neutre et l’électron porte une charge de -1,6×10^-19 C avec une masse environ 2000 fois plus faible que celle des nucléons.

📌 Les baryons sont constitués de trois quarks, comme les protons et les neutrons, tandis que les mésons sont constitués d’un quark et d’un antiquark de nature différente.

• Lorsqu’une particule rencontre son antiparticule, elles s’annihilent et se transforment en énergie pure.

• La force gravitationnelle couple les masses, la force électromagnétique couple les charges, la force nucléaire faible assure la cohérence et les transformations des nucléons, et la force nucléaire forte couple les quarks et les nucléons.

• Les intensités relatives des forces gravitationnelle, nucléaire faible, électromagnétique et nucléaire forte sont respectivement 1, 10^32, 10^36 et 10^38, avec des portées illimitée, 10^-17 m, illimitée et 10^-14 m.

Compléments

• Les six leptons sont l’électron, le muon, le tau, le neutrino de l’électron, le neutrino du muon et le neutrino du tau, tandis que les six quarks sont up, down, charm, strange, top et bottom.

💡 Astuce mémo

Gravitation, électromagnétique, faible, forte : G-E-F-F

📖 12. Modèles atomiques et énergie

★ À maîtriser

• L’expérience de la feuille d’or montre que la matière est majoritairement vide, que le noyau est positif et dense, et qu’il concentre la plus grande partie de la masse atomique.

📌 Les niveaux d’énergie atomiques En sont négatifs, tandis que les énergies de liaison Wn sont positives car elles représentent l’énergie nécessaire pour arracher l’électron à sa couche.

📐 Formule — L’énergie d’un photon ou d’une transition électromagnétique vérifie $E=h\nu$, où h est la constante de Planck et ν la fréquence de l’onde.

• Une transition électronique correspond au passage d’un électron d’un niveau d’énergie à un autre : un apport d’énergie le fait passer vers une couche supérieure, tandis qu’une libération d’énergie le fait passer vers une couche inférieure.

Compléments

• Dans le modèle de Bohr, n=1 correspond à la couche K, n=2 à la couche L, et n peut atteindre 7, correspondant à la couche Q.

📐 Formule — Un électronvolt correspond à $1\,\mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\,\mathrm{J}$.

💡 Astuce mémo

Rutherford → Bohr → niveaux quantifiés → transitions électroniques

📖 13. Électronvolt et énergies de liaison

🔑 Notions clés & Définitions

• Électronvolt : Énergie correspondant au produit de la charge élémentaire par une différence de potentiel de 1 volt.

★ À maîtriser

📐 Formule — La conversion entre joules et électronvolts utilise la relation $1\,\mathrm{eV}=1{,}602\times10^{-19}\,\mathrm{J}$.

• Les énergies de liaison sont d’autant plus importantes que l’entité considérée est petite.

Compléments

• Le tungstène est utilisé pour produire des rayons X.

💡 Astuce mémo

Entité plus petite → énergie de liaison plus grande

📖 14. Transitions électroniques et spectres

★ À maîtriser

📌 Lors d’une excitation, l’électron passe vers une couche plus superficielle du même atome, tandis que lors d’une ionisation il est éjecté hors de l’atome.

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n est $E_n=-\frac{13{,}6}{n^2}\,\mathrm{eV}$.

• Les éléments légers principalement concernés par l’effet Auger sont:

  • le carbone
  • l’hydrogène
  • l’oxygène
  • l’azote

• Les principales séries de l’hydrogène sont:

  • Lyman jusqu’à la couche K
  • Balmer jusqu’à la couche L
  • Brackett jusqu’à la couche N

Compléments

📐 Formule — L’énergie d’excitation entre les couches L et M vérifie $E=W_L-W_M$.

📐 Formule — Pour une transition de la couche L vers la couche M de l’hydrogène, l’énergie émise vaut $\Delta E=13{,}6\left[\frac{1}{2^2}-\frac{1}{3^2}\right]=1{,}89\,\mathrm{eV}$.

• La série de Balmer émet dans le spectre visible, entre 400 et 800 nm.

💡 Astuce mémo

Excitation : électron déplacé ; ionisation : électron éjecté

📖 15. Masse nucléaire et énergie de liaison

🔑 Notions clés & Définitions

• Unité de masse atomique : Unité définie de sorte que l’atome de carbone 12 ait exactement une masse de 12 u.m.a.
• Défaut de masse : Différence entre la somme des masses des nucléons séparés et la masse, plus faible, du noyau constitué.

★ À maîtriser

• La masse d’un électron est de 9,1×10^-31 kg, tandis que celle d’un nucléon est de 1,67×10^-27 kg, soit environ 2000 fois plus.

📐 Formule — La relativité restreinte relie l’énergie au repos d’une particule à sa masse par $E=mc^2$, relation énoncée par Einstein en 1905.

📌 Le nombre de protons Z détermine la nature du nucléide, tandis que le nombre de neutrons peut varier entre isotopes d’un même nucléide.

📌 Sur la courbe d’Aston, un rapport B/A élevé indique une plus grande stabilité du noyau, tandis qu’un rapport B/A faible indique une instabilité plus importante.

• Les noyaux les plus stables ont un rapport B/A compris entre 8 et 9 MeV, alors que l’hydrogène a un rapport B/A nul.

• 🔄 La fission de l’uranium 235 se déroule ainsi: un neutron est incorporé au noyau, le noyau devient instable et se scinde en krypton 92 et baryum 141, plusieurs neutrons sont éjectés, un rayonnement électromagnétique de 170 MeV est libéré

Compléments

• La densité de l’eau est de 1 g·cm^-3, celle des atomes de 2×10^2 g·cm^-3 et celle des noyaux de 2×10^14 g·cm^-3.

• Une mole de carbone 12 a une masse de 12,000000 g et contient exactement 6,02214179×10^23 atomes.

• Dans l’uranium 235, le noyau contient 92 protons et 143 neutrons, et son défaut de masse représente pratiquement l’équivalent de deux nucléons convertis en énergie de liaison.

💡 Astuce mémo

Défaut de masse → énergie de cohésion nucléaire

📊 Tableaux de synthèse

Nucléide, élément et isotope

Forces fondamentales