Fiche de révision : L’atome et les transformations nucléaires

📋 Plan du Cours

1. Modèles et constitution de l’atome
2. Notation et caractéristiques atomiques
3. Configuration et ions monoatomiques
4. Classification périodique et familles
5. Isotopes et lois de conservation
6. Fission, fusion et énergie

📖 1. Modèles et constitution de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Électriquement neutre car il possède autant de protons que d’électrons, soit Z protons et Z électrons.

★ À maîtriser

• En 1911, Rutherford propose un noyau dense et positif au centre de l’atome, autour duquel les électrons gravitent, ce qui révèle la structure lacunaire de l’atome.

Compléments

• Le modèle de Thomson, proposé en 1905, décrit l’atome comme une sphère chargée positivement dans laquelle les électrons négatifs sont encastrés.

• En 1913, Bohr décrit les électrons comme occupant des orbites circulaires définies correspondant notamment aux couches K, L et M.

💡 Astuce mémo

Thomson → Rutherford → Bohr → Schrödinger

📖 2. Notation et caractéristiques atomiques

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans la notation $^{A}_{Z}X$, A est le nombre de masse, Z le numéro atomique et le nombre de neutrons vaut $N=A-Z$.

📐 Formule — La masse d’un atome s’écrit $m=Z m_p+(A-Z)m_n+Z m_e$, avec $m_p=1{,}6726\times10^{-27}\,\mathrm{kg}$, $m_n=1{,}6749\times10^{-27}\,\mathrm{kg}$ et $m_e=9{,}1094\times10^{-31}\,\mathrm{kg}$.

• Le rayon de l’atome est d’environ 10⁻¹⁰ m, celui du noyau d’environ 10⁻¹⁵ m, et le noyau contient plus de 99,9 % de la masse de l’atome.

Compléments

• Pour $^{27}_{13}\mathrm{Al}$, le noyau contient 13 protons et 14 neutrons, et l’atome possède 13 électrons.

💡 Astuce mémo

Atome immense, noyau minuscule : 10⁻¹⁰ m contre 10⁻¹⁵ m

📖 3. Configuration et ions monoatomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de valence : Électrons de la couche externe et ils sont responsables des propriétés chimiques et des liaisons.

★ À maîtriser

• 🔄 Les électrons se répartissent successivement selon l’ordre suivant:
  1. 1s
  2. 2s
  3. 2p
  4. 3s
  5. 3p

📌 Un cation se forme par perte d’électrons et porte une charge positive, tandis qu’un anion se forme par gain d’électrons et porte une charge négative.

Compléments

• L’atome de carbone, de numéro atomique 6, possède la configuration 1s² 2s² 2p² et quatre électrons de valence.

💡 Astuce mémo

Cation : perte d’électrons ; anion : gain d’électrons

📖 4. Classification périodique et familles

📝 Points essentiels

• Le tableau périodique moderne classe les éléments par numéro atomique Z croissant, avec des lignes appelées périodes et des colonnes appelées familles. — Mendeleïev, 1869

• Les métaux alcalins de la colonne 1 possèdent un électron de valence et forment généralement des ions X⁺ en perdant un électron.

• Les métaux alcalino-terreux de la colonne 2 possèdent deux électrons de valence et forment généralement des ions X²⁺ en perdant deux électrons.

• Les halogènes de la colonne 17 possèdent sept électrons de valence et forment généralement des ions X⁻ en gagnant un électron, tandis que les gaz nobles de la colonne 18 ont une couche externe saturée et ne forment pas d’ions.

💡 Astuce mémo

Même colonne → mêmes électrons de valence → propriétés chimiques proches

📖 5. Isotopes et lois de conservation

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes d’un même élément qui possèdent le même nombre de protons Z mais des nombres de masse A différents, donc des nombres de neutrons différents.

★ À maîtriser

📌 Dans une réaction nucléaire, la conservation de la charge impose $Z_1+Z_2=Z_3+Z_4$ et la conservation du nombre de nucléons impose $A_1+A_2=A_3+A_4$.

Compléments

• Les noyaux ¹₁H, ²₁H et ³₁H sont les isotopes de l’hydrogène : ils possèdent tous un proton, mais respectivement zéro, un et deux neutrons.

• L’énergie totale est conservée lors d’une réaction nucléaire, même si elle peut être libérée ou absorbée.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z, mais A différent

📖 6. Fission, fusion et énergie

★ À maîtriser

• La fission nucléaire est l’éclatement d’un noyau lourd en deux noyaux plus légers sous l’impact d’un neutron, avec libération d’énergie et émission de neutrons pouvant provoquer une réaction en chaîne.

• La fusion nucléaire est l’association de deux noyaux légers pour former un noyau plus lourd et libérer une énergie considérable, comme au cœur du Soleil.

📐 Formule — Selon Einstein en 1905, la relation entre l’énergie et la masse est $E=mc^2$, où c est la vitesse de la lumière égale à 3 × 10⁸ m·s⁻¹. — Albert Einstein

Compléments

• La fission est utilisée dans les centrales nucléaires de manière contrôlée et dans la bombe A de manière non contrôlée, tandis que la fusion intervient dans le Soleil, le projet ITER et la bombe H.

💡 Astuce mémo

Fission : lourd → légers ; fusion : légers → lourd

📊 Tableaux de synthèse

Familles chimiques et ions