Fiche de révision : Modèles et structure de l’atome

📋 Plan du Cours

1. Modèle nucléaire de Rutherford
2. Éléments nucléides et isotopes
3. Quantification énergétique de Bohr
4. Orbitales et nombres quantiques
5. Règles de configuration électronique
6. Classification et propriétés périodiques
7. Formation des ions
8. État d’oxydation

📖 1. Modèle nucléaire de Rutherford

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Électriquement neutre, constitué d’un noyau positif contenant des protons et des neutrons, autour duquel se déplacent des électrons négatifs.

★ À maîtriser

• Le noyau a un diamètre d’environ 10−15 m, tandis que l’atome a un diamètre d’environ 10−10 m, ce qui caractérise une structure lacunaire.

Compléments

• La charge de l’électron vaut −1,60 × 10−19 C, celle du proton vaut +1,60 × 10−19 C et celle du neutron est nulle.

• La masse d’un atome est essentiellement concentrée dans son noyau, car la masse des électrons est très inférieure à celle des nucléons.

💡 Astuce mémo

Noyau dense et positif, nuage électronique négatif et lacunaire

📖 2. Éléments nucléides et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément chimique : Caractérisé par son numéro atomique Z, égal au nombre de protons présents dans son noyau.
• Nucléide : Caractérisé par le couple (Z ; A), où Z est le numéro atomique et A le nombre total de nucléons.

★ À maîtriser

📌 Deux nucléides isotopes ont le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents, car leur nombre de neutrons diffère.

Compléments

• Les isotopes d’un même élément ont des propriétés chimiques identiques liées à leurs électrons, mais des propriétés physiques différentes liées à la masse de leur noyau.

• Dans le carbone ¹³₆C, A = 13 et Z = 6, donc le noyau contient 13 nucléons, dont 6 protons et 7 neutrons.

💡 Astuce mémo

Même Z pour l’élément, A différent pour l’isotope

📖 3. Quantification énergétique de Bohr

★ À maîtriser

📐 Formule — L’énergie d’un photon vérifie $\Delta E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$, où h est la constante de Planck, ν la fréquence, c la célérité et λ la longueur d’onde.

• Les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement sont quantifiés : un quantum d’énergie est transporté par un photon, particule sans masse ni charge.

• Lors d’une absorption, l’atome passe d’un niveau d’énergie inférieur Em à un niveau supérieur En et absorbe l’énergie électromagnétique $\Delta E = E_n-E_m = h\nu$.

• Lors d’une émission, l’atome passe d’un niveau d’énergie supérieur En à un niveau inférieur Em et émet l’énergie électromagnétique $\Delta E = E_n-E_m = h\nu$.

Compléments

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vérifie $E_n = -\frac{13{,}6}{n^2}$, avec En en eV et n entier supérieur ou égal à 1.

💡 Astuce mémo

Absorption : niveau bas → niveau haut ; émission : niveau haut → niveau bas

📖 4. Orbitales et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Une région de l’espace dans laquelle la probabilité de trouver un électron est élevée.
• Nombre quantique principal : Définit la couche électronique et quantifie l’énergie de l’électron, avec n entier naturel non nul.
• Nombres quantiques l et ml : Le nombre quantique secondaire l définit la forme de l’orbitale avec 0 ≤ l < n, tandis que le nombre magnétique ml définit sa direction avec −l ≤ ml ≤ +l.

★ À maîtriser

• Le principe d’incertitude empêche de connaître simultanément avec une précision arbitraire la position et la vitesse d’un électron.

Compléments

• Les orbitales atomiques sont obtenues par résolution de l’équation de Schrödinger, dont les solutions sont des fonctions d’onde décrivant la répartition spatiale des électrons.

💡 Astuce mémo

n → couche, l → forme, ml → direction

📖 5. Règles de configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Indique la répartition des électrons d’un atome dans les différentes orbitales atomiques, généralement dans l’état fondamental de plus basse énergie.

★ À maîtriser

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques ; une orbitale contient donc au maximum deux électrons de spins opposés.

• La règle de Klechkowski impose de remplir les orbitales par valeurs croissantes de n + l ; à égalité de n + l, la sous-couche de plus petit n est remplie en premier.

• La règle de Hund impose, pour des orbitales dégénérées, de placer les électrons dans un maximum d’orbitales avec des spins parallèles avant de les apparier.

• Les électrons de valence occupent la couche externe ou une sous-couche en cours de remplissage et participent aux réactions chimiques, tandis que les électrons de cœur sont fortement liés au noyau et n’y participent pas.

Compléments

📌 Un atome est diamagnétique si tous ses électrons sont appariés, tandis qu’il est paramagnétique s’il possède au moins un électron non apparié et est attiré par un champ magnétique.

💡 Astuce mémo

Klechkowski remplit, Hund répartit, Pauli limite

📖 6. Classification et propriétés périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon atomique : Correspond au rayon des orbitales de valence, c’est-à-dire à la distance où la densité de probabilité radiale des électrons externes est maximale.
• Électronégativité : Une grandeur relative qui traduit l’aptitude d’un atome à attirer vers lui le doublet d’électrons qui le lie à un autre atome.

★ À maîtriser

• La classification périodique actuelle contient 18 colonnes, 7 périodes et 118 éléments classés par numéro atomique Z croissant.

• Une période correspond au remplissage d’une nouvelle couche de nombre quantique principal n, débutant par une sous-couche ns et s’achevant généralement par une sous-couche np.

• Le rayon atomique diminue le long d’une période et augmente le long d’une colonne, tandis que l’électronégativité augmente le long d’une période et diminue le long d’une colonne.

Compléments

• Les éléments d’une même colonne possèdent le même nombre d’électrons de valence et les blocs s, p, d et f correspondent au remplissage d’un même type de sous-couche.

💡 Astuce mémo

Rayon diminue vers la droite, électronégativité augmente vers le haut

📖 7. Formation des ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Cation et anion : Un atome qui perd un ou plusieurs électrons forme un cation positif, tandis qu’un atome qui gagne un ou plusieurs électrons forme un anion négatif.

★ À maîtriser

📌 Pour former un cation, les électrons arrachés sont ceux des orbitales les moins stabilisées, généralement celles qui ont le nombre quantique principal n le plus élevé.

📌 Pour former un anion, les électrons sont ajoutés dans les orbitales libres semi-vacantes ou vacantes de plus basse énergie.

Compléments

• L’atome de sodium Na, de numéro atomique Z = 11, forme Na⁺ en perdant son électron 3s et possède alors la configuration 1s²2s²2p⁶.

• L’atome de chlore Cl, de numéro atomique Z = 17, forme l’ion chlorure Cl⁻ en ajoutant un électron à 3p et atteint la configuration 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶.

💡 Astuce mémo

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

📖 8. État d’oxydation

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre d’oxydation : Un nombre entier positif ou négatif, écrit en chiffres romains, qui correspond à la charge fictive ou réelle d’un élément selon le concept d’électronégativité.

★ À maîtriser

📌 Le nombre d’oxydation d’un élément isolé sous forme atomique est nul, car l’atome possède autant d’électrons que de protons.

📌 Le nombre d’oxydation d’un ion monoatomique est égal à la valeur de sa charge.

Compléments

• L’atome d’aluminium Al a le nombre d’oxydation 0, l’ion aluminium Al³⁺ a le nombre d’oxydation +III et l’ion iodure I⁻ a le nombre d’oxydation −I.

• Dans les espèces polyatomiques, le nombre d’oxydation ne correspond pas nécessairement à une charge réelle portée par l’atome et sa détermination nécessite de considérer les liaisons chimiques.

💡 Astuce mémo

Atome isolé : 0 ; ion monoatomique : charge de l’ion

📊 Tableaux de synthèse

Évolution des propriétés périodiques