Fiche de révision : Chimie générale et biochimie

📋 Plan du Cours

1. Échelles et histoire de l’atome
2. Structure et classification des atomes
3. Matière, ions et quantité de matière
4. Modèles quantiques de l’atome
5. Configuration électronique et périodicité
6. Approche ondulatoire de l’électron
7. Liaison covalente et orbitales moléculaires
8. Hybridation et polarité moléculaire
9. Interactions non covalentes
10. Eau, hydrophobie et biomolécules

📖 1. Échelles et histoire de l’atome

★ À maîtriser

• Les principaux ordres de grandeur sont:

  • 1 m pour un enfant
  • 10⁻³ m pour une mouche
  • 10⁻⁶ m pour une cellule
  • 10⁻⁹ m pour une molécule
  • 10⁻¹² m pour une distance subatomique
  • 10⁻¹⁵ m pour un noyau
  • 1,6 × 10⁻³⁵ m pour la longueur de Planck

• En 1808, Dalton publie « A new system of chemical philosophy » et propose une théorie de l’atome.

• En 1897, Thompson découvre l’électron, en 1911 Rutherford découvre le noyau, et en 1932 Chadwick découvre le neutron.

Compléments

• La galaxie la plus proche de la Terre, Andromède, se trouve à 2,51 millions d’années-lumière.

• La distance Terre-Soleil est de 150 000 000 000 m et le rayon de la Terre est de 6 380 000 m.

💡 Astuce mémo

Galaxie → Terre → cellule → molécule → noyau

📖 2. Structure et classification des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau atomique : Agrégat très localisé de nucléons, c’est-à-dire de protons et de neutrons.
• Numéro atomique : Nombre de protons d’un atome et, pour un atome neutre, également son nombre d’électrons.
• Nombre de masse : Nombre total de protons et de neutrons, et le nombre de neutrons vaut A − Z.
• Isotopes : Atomes ayant le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.

📝 Points essentiels

• Le proton porte la charge +1,602 × 10⁻¹⁹ C et a une masse de 1,6726 × 10⁻²⁷ kg, tandis que le neutron est électriquement neutre et a une masse de 1,6749 × 10⁻²⁷ kg.

• L’électron porte la charge −1,602 × 10⁻¹⁹ C et a une masse de 9,1094 × 10⁻³¹ kg, très inférieure à celle des nucléons.

💡 Astuce mémo

Z distingue l’élément, A distingue l’isotope

📖 3. Matière, ions et quantité de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Ion : Atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons sans modification de son noyau ni de son numéro atomique Z.
• Mole : Une mole contient exactement 6,02214076 × 10²³ entités, valeur correspondant au nombre d’Avogadro.
• Concentration molaire : Nombre de moles de A par unité de volume de solution, soit $C_A = \frac{n_A}{V_{solution}}$.
• Solubilité : Quantité maximale de soluté pouvant être dissoute dans une solution, qui devient alors saturée.

📝 Points essentiels

📌 Un anion est négatif parce qu’il a gagné des électrons, tandis qu’un cation est positif parce qu’il en a perdu.

📐 Formule — Lors d’une dilution, la quantité de matière du soluté reste constante et vérifie $C_A V_A = C_B V_B$ ; une dilution par y divise la concentration par y.

💡 Astuce mémo

Perte d’électrons → cation ; gain d’électrons → anion

📖 4. Modèles quantiques de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombres quantiques : Les quatre nombres quantiques caractérisent l’état d’un électron : n vérifie n ≥ 1, l vérifie 0 ≤ l ≤ n − 1, m vérifie −l ≤ m ≤ l et le spin s vaut −1/2 ou +1/2.

★ À maîtriser

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’avoir les mêmes quatre nombres quantiques ; une case quantique contient donc au maximum deux électrons de spins opposés.

📌 La règle de Hund impose de remplir d’abord séparément les cases d’une sous-couche avec des électrons de même spin avant de les apparier.

Compléments

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie électronique vérifie $E = -\frac{13{,}6}{n^2}\ \mathrm{eV}$.

💡 Astuce mémo

n → l → m → s : couche, sous-couche, case, spin

📖 5. Configuration électronique et périodicité

★ À maîtriser

• Le tableau périodique comporte 7 périodes et 18 groupes, et les éléments d’un même groupe possèdent une structure électronique externe similaire.

• Les principales familles se caractérisent ainsi:

  • gaz rares : couche de valence remplie
  • halogènes : un électron manquant dans une sous-couche p
  • alcalins : un seul électron dans une sous-couche s

📌 La règle de l’octet indique que les atomes tendent à acquérir, lors de leur combinaison, la structure électronique du gaz rare le plus proche, avec huit électrons périphériques.

Compléments

• Le chlore neutre possède la configuration [Ne] 3s² 3p⁵ et l’ion chlorure Cl⁻ possède la configuration [Ne] 3s² 3p⁶, celle de l’argon.

💡 Astuce mémo

Gaz rares stables ; halogènes accepteurs ; alcalins donneurs

📖 6. Approche ondulatoire de l’électron

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Zone de l’espace associée à une case quantique dans laquelle la probabilité de trouver l’électron est grande.

★ À maîtriser

📌 Le principe d’incertitude d’Heisenberg impose $\Delta x\,\Delta p \geq \frac{\hbar}{2}$, de sorte que la position et la quantité de mouvement de l’électron ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision arbitraire.

📐 Formule — L’équation de Schrödinger s’écrit $H\psi = E\psi$, où H est l’opérateur hamiltonien, ψ la fonction d’onde et E l’énergie totale.

Compléments

📐 Formule — Selon de Broglie, la longueur d’onde associée à un électron vaut $\lambda = \frac{h}{mv}$. — Louis de Broglie, 1924

📌 Les orbitales s sont de symétrie sphérique, tandis que les orbitales p possèdent une distribution orientée selon des axes de l’espace.

💡 Astuce mémo

Un nuage de probabilité remplace la trajectoire orbitale

📖 7. Liaison covalente et orbitales moléculaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison covalente : Mise en commun d’électrons provenant de deux atomes.

★ À maîtriser

📌 Une liaison simple contient une paire d’électrons, une liaison double en contient deux et une liaison triple en contient trois.

📐 Formule — L’ordre de liaison vaut $\frac{1}{2}(N_{électrons\ liants}-N_{électrons\ antiliants})$.

• L’ordre de liaison vaut 1 pour H₂, 2 pour O₂, 3 pour N₂ et 1 pour F₂.

Compléments

• Dans un système aromatique, six électrons sont délocalisés dans un nuage de type π, ce qui contribue à sa stabilité et à l’absorption de lumière UV-visible.

💡 Astuce mémo

Orbitale liante stabilise ; orbitale antiliante déstabilise

📖 8. Hybridation et polarité moléculaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Hybridation sp³ : Combine une orbitale 2s et trois orbitales 2p pour former quatre orbitales atomiques hybrides équivalentes orientées vers les sommets d’un tétraèdre.
• Électronégativité : Capacité d’un atome à attirer les électrons lorsqu’il est engagé dans une liaison covalente, avec des valeurs comprises entre 0,7 et 4 dans le cours.

★ À maîtriser

• Dans le méthane CH₄, les quatre liaisons sont orientées selon un tétraèdre régulier avec des angles de 109,5°.

📐 Formule — Le moment dipolaire d’une liaison vérifie $\mu = \delta d$ et s’exprime en C·m ou en debyes, avec $1\ \mathrm{D}=3{,}34\times10^{-30}\ \mathrm{C\cdot m}$.

• Les seuils de différence d’électronégativité sont:
  • supérieure à 1,7 : liaison ionique
  • entre 0,4 et 1,7 : liaison covalente polaire
  • inférieure à 0,4 : liaison covalente non polaire

Compléments

• Dans NH₃, l’azote est hybridé sp³, possède un doublet non liant et présente un angle de liaison de 107°.

• Dans H₂O, l’oxygène possède deux doublets non liants et l’angle de liaison est de 104,5°.

💡 Astuce mémo

sp → sp² → sp³ : linéaire → plane → tétraédrique

📖 9. Interactions non covalentes

🔑 Notions clés & Définitions

• Interaction de van der Waals : Regroupent les interactions entre dipôles permanents, dipôles permanents et dipôles induits, ainsi que dipôles instantanés et dipôles induits.
• Liaison hydrogène : Associe un atome d’hydrogène, généralement lié à un atome fortement électronégatif, à un atome électronégatif Y possédant au moins un doublet non liant, comme O, N, F ou S.
• Pont salin : Interaction entre certains acides aminés non connectés qui combine des interactions électrostatiques et des liaisons hydrogène, contribuant à la stabilité et au repliement des protéines.

📝 Points essentiels

• Une interaction de London résulte de fluctuations rapides de la densité électronique qui créent un dipôle instantané, lequel induit un dipôle dans une molécule voisine et produit une attraction.

• Chaque molécule d’eau possède deux atomes d’hydrogène et deux doublets non liants sur l’oxygène, ce qui permet jusqu’à quatre liaisons hydrogène par molécule.

💡 Astuce mémo

Keesom, Debye, London : permanent, induit, instantané

📖 10. Eau, hydrophobie et biomolécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet hydrophobe : Agrégation de composés hydrophobes afin de réduire au maximum leur contact avec l’eau.

★ À maîtriser

• Les composés se distinguent ainsi:

  • hydrophile : soluble en milieu aqueux
  • lipophile ou hydrophobe : soluble dans les corps gras mais insoluble dans l’eau
  • amphiphile : possède des groupements hydrophiles et hydrophobes

• Les phospholipides s’organisent en bicouche en agrégeant leurs chaînes lipidiques entre elles tout en exposant leurs têtes polaires à l’eau.

Compléments

• Ces interactions interviennent notamment dans:
  • la structure en double hélice de l’ADN
  • la structure secondaire des protéines
  • la cohésion des solvants
  • la marche verticale du gecko

💡 Astuce mémo

Agrégation hydrophobe → exclusion de l’eau → bicouche lipidique

📊 Tableaux de synthèse

Familles d’éléments et comportement électronique

Types de liaisons selon l’électronégativité