Fiche de révision : Organisation des électrons dans l’atome

📋 Plan du Cours

1. Modèle simplifié de Rutherford
2. Spectres lumineux et atomiques
3. Niveaux d’énergie selon Bohr
4. Modèle quantique de l’atome
5. Les quatre nombres quantiques
6. Pauli et remplissage des orbitales

📖 1. Modèle simplifié de Rutherford

🔑 Notions clés & Définitions

• Modèle de Rutherford : Le modèle simplifié de Rutherford représente l’atome par un noyau central autour duquel se déplacent les électrons du cortège électronique.

📝 Points essentiels

• Le modèle simplifié de Rutherford n’explique ni les différences de propriétés des éléments, ni leur valence et les formules chimiques des composés, ni les caractéristiques des spectres d’émission atomiques.

💡 Astuce mémo

Un noyau central entouré d’un cortège d’électrons.

📖 2. Spectres lumineux et atomiques

★ À maîtriser

• La lumière solaire décomposée par un prisme donne un spectre continu comprenant toutes les longueurs d’onde, fréquences et énergies du visible, du violet au rouge.

📐 Formule - L’énergie d’un rayonnement vérifie $E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$, où h est la constante de Planck et c la vitesse de la lumière.

• Un gaz soumis à une décharge électrique émet un spectre de raies séparées, qui ne contient pas toutes les longueurs d’onde, fréquences ni énergies.

Compléments

• Chaque élément chimique possède un spectre de raies particulier qui constitue son empreinte digitale.

💡 Astuce mémo

Lumière solaire continue, gaz atomique en raies.

📖 3. Niveaux d’énergie selon Bohr

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie quantifiée : L’énergie d’un atome est quantifiée et ne peut prendre que certaines valeurs particulières, correspondant à des niveaux d’énergie.

★ À maîtriser

• En 1913, Niels Bohr propose, à partir du spectre de l’hydrogène, un modèle où l’énergie de l’électron est quantifiée en niveaux.

• Le nombre quantique principal n prend les valeurs entières 1, 2, 3, etc., et indique la couche électronique de l’électron.

• Lorsqu’un électron change de niveau, il absorbe ou émet une radiation d’énergie $\Delta E = h\nu$, avec $|\Delta E| = |E_{n_2}-E_{n_1}|$ et $\lambda = \frac{hc}{|\Delta E|}$.

Compléments

• Dans le modèle de Bohr, chaque niveau d’énergie de l’électron correspond à une trajectoire circulaire stable dont le rayon est proportionnel à $n^2$.

• Pour l’atome d’hydrogène, le niveau fondamental de l’électron est n = 1 et les niveaux n > 1 sont des niveaux excités.

💡 Astuce mémo

Absorption : niveau supérieur ; émission : niveau inférieur.

📖 4. Modèle quantique de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : La fonction d’onde Ψ est la fonction mathématique associée à l’onde de l’électron dans le modèle quantique.

★ À maîtriser

📐 Formule - La probabilité de trouver l’électron dans un volume dV autour d’un point est donnée par $dP = \Psi^2\,dV$.

📌 Le modèle quantique associe une onde à l’électron, contrairement au modèle de Bohr qui lui attribue une trajectoire circulaire précise.

• Dans le modèle quantique, l’état d’un électron est défini par quatre nombres quantiques : n, l, m et s.

Compléments

• Le modèle de Bohr explique bien le spectre de l’hydrogène, mais il est insuffisant pour rendre compte des spectres des atomes polyélectroniques.

📖 5. Les quatre nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Le nombre quantique principal n est un entier supérieur ou égal à 1 qui définit le niveau d’énergie et la couche électronique de l’électron.
• Nombre quantique secondaire : Le nombre quantique secondaire l est un entier tel que $0 \leq l \leq n-1$ et caractérise la sous-couche électronique.
• Nombre quantique magnétique : Le nombre quantique magnétique m est un entier compris entre −l et +l et caractérise l’orbitale atomique.
• Orbitale atomique : Une orbitale atomique est une région de l’espace où la probabilité de trouver l’électron est voisine de 1.

📝 Points essentiels

• Les sous-couches correspondant à l = 0, 1, 2 et 3 sont respectivement nommées s, p, d et f.

• Pour une sous-couche de nombre quantique l, m prend 2l + 1 valeurs, ce qui donne le nombre d’orbitales de cette sous-couche.

💡 Astuce mémo

n-l-m-s : couche, sous-couche, orbitale, spin.

📖 6. Pauli et remplissage des orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique de spin : Le nombre quantique de spin s caractérise l’électron et ne peut prendre que les valeurs +1/2 et −1/2.

★ À maîtriser

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.

📌 Une orbitale atomique définie par (n, l, m) peut contenir au maximum deux électrons de spins opposés.

Compléments

• Une orbitale atomique, représentée par une case quantique, peut être vide, contenir un électron célibataire ou contenir une paire d’électrons.

• Les couches K, L, M et N correspondent respectivement à n = 1, 2, 3 et 4, et peuvent contenir au maximum 2, 8, 18 et 32 électrons.

• Les capacités maximales des sous-couches s, p, d et f sont respectivement 2, 6, 10 et 14 électrons.

💡 Astuce mémo

Dans une OA, les deux spins sont opposés.

📊 Tableaux de synthèse

Spectres continu et atomique