Fiche de révision : Chimie générale et biochimie

📋 Plan du Cours

1. Échelles et histoire de l’atome
2. Structure et classification atomiques
3. Moles et masses atomiques
4. Solutions, concentrations et dilution
5. Modèles quantiques de l’atome
6. Configurations électroniques
7. Classification et ions
8. Orbitales et approche ondulatoire
9. Liaisons covalentes et hybridation
10. Polarité et liaisons ioniques
11. Interactions non covalentes
12. Effets hydrophobes et biomolécules

📖 1. Échelles et histoire de l’atome

★ À maîtriser

• Les principales distances vont de 2,51 millions d’années-lumière pour la galaxie d’Andromède à 1,6 × 10^-35 m pour la longueur de Planck, en passant par 150 000 000 000 m entre la Terre et le Soleil, 10^-6 m pour une cellule et 10^-9 m pour une molécule.

• En 1808, Dalton publie « A new system of chemical philosophy » et propose une théorie atomique.

Compléments

• L’histoire de l’atome comprend: la proposition de particules indivisibles par Démocrite, la conservation de la matière mise en évidence par Lavoisier, la théorie atomique de Dalton, la découverte de l’électron par Thomson, la découverte du noyau par Rutherford, la découverte du neutron par Chadwick

💡 Astuce mémo

Galaxie → cellule → molécule → noyau

📖 2. Structure et classification atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes de même numéro atomique Z mais de nombres de masse A différents.
• Ion : Atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons, tandis que son noyau reste inchangé et que son numéro atomique Z est conservé.

📝 Points essentiels

• Un atome neutre contient autant d’électrons que de protons, et ce nombre correspond au numéro atomique Z.

📐 Formule — Le nombre de neutrons est donné par $N = A - Z$.

💡 Astuce mémo

Z distingue l’élément, A distingue l’isotope

📖 3. Moles et masses atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Mole : Depuis novembre 2018, quantité contenant exactement 6,02214076 × 10^23 entités, valeur correspondant au nombre d’Avogadro.
• Masse molaire : Masse d’une mole d’entités et s’exprime généralement en g·mol^-1.

★ À maîtriser

📐 Formule — La relation entre la quantité de matière n, la masse m et la masse molaire M est $n = \frac{m}{M}$.

Compléments

• Une unité de masse atomique vaut environ 1,66 × 10^-27 kg et est également appelée dalton ou Da.

📖 4. Solutions, concentrations et dilution

🔑 Notions clés & Définitions

• Concentration molaire : Nombre de moles de A par unité de volume de solution.
• Concentration massique : Masse de soluté par unité de volume de solution.

★ À maîtriser

📐 Formule — Lors d’une dilution, la quantité de soluté reste constante et vérifie $C_iV_i = C_fV_f$.

Compléments

• Une solution d’aspirine de 500 mL à 1 μM nécessite 0,090 mg d’aspirine de masse molaire 180,1 g·mol^-1.

💡 Astuce mémo

Ajouter du solvant → volume augmente → concentration diminue

📖 5. Modèles quantiques de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique : Les quatre nombres quantiques d’un électron sont n, l, m et s, avec n ≥ 1, 0 ≤ l ≤ n − 1, −l ≤ m ≤ l et s = −1/2 ou +1/2.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Dans le modèle quantique, un changement d’état électronique s’accompagne d’une variation d’énergie $\Delta E = E_1 - E_2 = h\nu$.

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

📖 6. Configurations électroniques

📝 Points essentiels

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

📌 La règle de Hund impose de remplir d’abord séparément les orbitales dégénérées avec des électrons de même spin avant de les apparier.

• Le remplissage électronique suit l’ordre énergétique donné par la règle de Klechkowski, avec des exceptions notables pour le chrome et le cuivre.

• Les électrons de valence sont les électrons les plus externes, les moins liés au noyau et les plus impliqués dans les réactions chimiques.

💡 Astuce mémo

Couches → sous-couches → cases → spins

📖 7. Classification et ions

★ À maîtriser

• Le tableau périodique comporte 7 périodes et 18 groupes, et les éléments d’un même groupe ont une structure électronique externe similaire qui explique leurs propriétés chimiques proches.

📌 Les gaz rares ont une couche de valence remplie et sont très stables, tandis que les halogènes possèdent un électron manquant dans leur sous-couche p et captent facilement un électron.

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

Compléments

• Les alcalins possèdent un électron externe et tendent à le perdre pour former des cations monovalents, tandis que les alcalino-terreux tendent à former des cations divalents.

💡 Astuce mémo

Halogènes captent, alcalins cèdent

📖 8. Orbitales et approche ondulatoire

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

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

📐 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 — La longueur d’onde associée à un électron est donnée par $\lambda = \frac{h}{mv}$, relation définie par Louis de Broglie en 1924.

💡 Astuce mémo

Un nuage de probabilité autour du noyau

📖 9. Liaisons covalentes et hybridation

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison covalente : Une liaison covalente résulte de la mise en commun d’électrons provenant de deux atomes, avec une paire pour une liaison simple, deux paires pour une liaison double et trois paires pour une liaison triple.
• Hybridation sp3 : L’hybridation sp3 combine une orbitale 2s et trois orbitales 2p pour former quatre orbitales hybrides équivalentes orientées vers les sommets d’un tétraèdre, avec un angle de 109,5° dans le méthane.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’ordre de liaison est défini par $OL = \frac{1}{2}(N_{liants} - N_{anti-liants})$.

📌 L’hybridation sp2 produit trois orbitales hybrides coplanaires à 120° et laisse une orbitale p non hybridée, tandis que l’hybridation sp produit deux orbitales hybrides et laisse deux orbitales p non hybridées.

Compléments

• Dans l’eau, deux orbitales hybrides de l’oxygène forment des liaisons O-H et deux contiennent des doublets non liants, ce qui donne un angle de liaison de 104,5°.

💡 Astuce mémo

sp3 tétraédrique → sp2 plane → sp linéaire

📖 10. Polarité et liaisons ioniques

🔑 Notions clés & Définitions

• 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

📐 Formule — Le moment dipolaire d’une liaison vérifie $\mu = \delta d$ et peut s’exprimer en C·m ou en Debye, avec $1\,D = 3{,}34 \times 10^{-30}\,C\cdot m$.

📌 Une différence d’électronégativité inférieure à 0,4 correspond à une liaison covalente non polaire, comprise entre 0,4 et 1,7 à une liaison covalente polaire, et supérieure à 1,7 à une liaison ionique.

Compléments

• À l’état solide, le chlorure de sodium est un solide ionique cristallin cohésif par forces électrostatiques, tandis qu’en solution il se présente sous forme d’ions Na+ et Cl−.

💡 Astuce mémo

Électronégativités proches : covalente ; très différentes : ionique

📖 11. Interactions non covalentes

🔑 Notions clés & Définitions

• Interaction de van der Waals : Les interactions de van der Waals regroupent les interactions entre dipôles permanents de Keesom, entre dipôles permanents et induits de Debye et entre dipôles instantanés et induits de London.
• Liaison hydrogène : Association d’un hydrogène partiellement positif, souvent lié à un atome électronégatif, à un atome électronégatif Y possédant au moins un doublet non liant, notamment O, N, F ou S.

★ À maîtriser

• Chaque molécule d’eau possède deux hydrogènes et deux doublets non liants sur son oxygène, ce qui permet la formation de quatre liaisons hydrogène par molécule.

Compléments

• Les interactions non covalentes contribuent notamment à la double hélice de l’ADN, à la structure secondaire des protéines et à la cohésion des solvants.

📖 12. Effets hydrophobes et biomolécules

🔑 Notions clés & Définitions

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

★ À maîtriser

📌 Un composé hydrophile est soluble en milieu aqueux, un composé lipophile ou hydrophobe est soluble dans les corps gras mais insoluble dans l’eau, et un composé amphiphile possède des groupements hydrophiles et hydrophobes.

• 🔄 Les phospholipides s’organisent en bicouche en: agrégeant leurs chaînes lipidiques entre elles, réduisant le contact des chaînes avec l’eau, exposant leurs têtes polaires à l’eau

Compléments

• Les médicaments peuvent interagir avec les sites actifs des protéines par des liaisons hydrogène, des forces de dispersion et des effets hydrophobes.

💡 Astuce mémo

Éviter l’eau → agrégation hydrophobe → bicouche lipidique

📊 Tableaux de synthèse

Familles d’éléments et comportement électronique