Fiche de révision : Structure atomique et radioactivité

📋 Plan du Cours

1. Constitution et caractérisation de l’atome
2. Isotopes et masses molaires
3. Éléments dans la nature
4. Fondements de la théorie quantique
5. Orbitales et nombres quantiques
6. Configurations électroniques
7. Classification périodique et Lewis
8. Propriétés atomiques
9. Noyaux et énergie nucléaire
10. Radioactivité et transformations nucléaires

📖 1. Constitution et caractérisation de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau positif entouré d’un nuage électronique négatif.

★ À maîtriser

• Le diamètre du noyau est d’environ 10⁻⁵ nm, celui de l’atome d’environ 0,1 nm, et le volume de l’atome est environ 10¹² fois celui du noyau.

• La masse est concentrée dans le noyau, qui contient des protons et des neutrons d’environ 1 u chacun, tandis qu’un électron a une masse d’environ 5,5 × 10⁻⁴ u.

Compléments

• L’unité de masse atomique vaut 1,66056 × 10⁻²⁴ g.

• La charge élémentaire vaut 1,60219 × 10⁻¹⁹ C.

💡 Astuce mémo

Le noyau concentre la masse ; le nuage électronique occupe presque tout le volume.

📖 2. Isotopes et masses molaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre de masse : Nombre total de nucléons, égal à la somme des protons et des neutrons du noyau.
• Numéro atomique : Nombre de protons du noyau et, pour un atome neutre, nombre d’électrons.
• Isotopes : Nucléides d’un même élément ayant le même numéro atomique Z et des nombres de masse A différents.

★ À maîtriser

• Le nombre de neutrons d’un nucléide est donné par $A-Z$.

• Une mole contient le nombre d’Avogadro, soit 6,022 × 10²³ entités.

Compléments

• Pour le chlore naturel composé de 75 % de ³⁵Cl et de 25 % de ³⁷Cl, la masse molaire atomique moyenne est d’environ 35,5 g·mol⁻¹.

📖 3. Éléments dans la nature

★ À maîtriser

• Les onze éléments indiqués comme représentant 99,9 % du corps humain sont H, O, C, N, Ca, P, S, K, Na, Cl et Mg.

Compléments

• Dans l’Univers, le fer représente environ 40 % de la masse des éléments et contribue à la présence d’un noyau métallique au centre.

• Dans le globe terrestre, l’oxygène représente 49,5 % de la masse et 53,3 % des atomes, tandis que le silicium en représente 25,7 % de la masse et 15,9 % des atomes.

• Dans la croûte terrestre, l’oxygène est présent dans l’air, l’eau et les oxyanions des minéraux solides, le silicium dans l’essentiel des roches et des argiles, et l’hydrogène dans l’eau et les carbures d’hydrogène.

📖 4. Fondements de la théorie quantique

★ À maîtriser

• La lumière est un rayonnement électromagnétique caractérisé par une longueur d’onde λ et une fréquence ν, reliées par $\nu=\frac{c}{\lambda}$, où la vitesse de la lumière dans le vide vaut 3 × 10⁸ m·s⁻¹.

• Vers 1900, Planck a proposé que l’énergie d’un oscillateur électromagnétique ne prenne que des valeurs discrètes, ce qui conduit à une lumière décrite comme un flux de photons d’énergie hν. - Max Planck, ~ 1900

• L’effet photoélectrique montre qu’un photon suffisamment énergétique peut arracher un électron à un métal.

• En 1924, Louis de Broglie a proposé qu’à toute particule en mouvement soit associée une onde de longueur d’onde λ telle que $p=\frac{h}{\lambda}$. - L. de Broglie

📌 Le principe d’incertitude de Heisenberg impose $\Delta x\,\Delta(mv_x)\geq\frac{h}{4\pi}$, ce qui interdit de déterminer simultanément avec précision la position et la vitesse d’un électron.

Compléments

• L’expérience de Davisson-Germer de 1925 a montré la diffraction d’électrons par un cristal, révélant leur caractère ondulatoire.

💡 Astuce mémo

Planck quantifie la lumière, de Broglie associe une onde à la matière, Heisenberg limite la précision des mesures.

📖 5. Orbitales et nombres quantiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Solution de l’équation de Schrödinger qui caractérise l’électron dans l’espace, et dont le carré ψ² représente la probabilité de présence de l’électron.
• Orbitale atomique : Fonction d’onde stationnaire qui caractérise un électron dans l’espace.

★ À maîtriser

• L’électron d’un atome est caractérisé par quatre nombres quantiques : n définit la couche, l la sous-couche et la forme de l’orbitale, m son orientation, et s le spin, égal à +½ ou −½.

📌 Les nombres quantiques vérifient n = 1, 2, 3… ; 0 ≤ l ≤ n−1 ; et −l ≤ m ≤ l, avec 2l+1 valeurs possibles de m.

• Une orbitale atomique peut contenir au plus deux électrons de spins opposés, conformément au principe d’exclusion de Pauli.

Compléments

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

💡 Astuce mémo

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

📖 6. Configurations électroniques

★ À maîtriser

• Dans un atome polyélectronique, la règle de Klechkovski classe les sous-couches par énergie croissante selon n+l, puis selon n en cas d’égalité de n+l.

• La règle de Hund impose, dans une même sous-couche, l’occupation du maximum d’orbitales dégénérées par des électrons de spins parallèles avant leur appariement.

• Le principe de stabilité conduit à remplir les orbitales par énergie croissante pour obtenir la configuration électronique de l’état fondamental.

Compléments

• Les configurations électroniques fondamentales du carbone et de l’oxygène sont respectivement 1s² 2s² 2p² et 1s² 2s² 2p⁴.

• Le fer neutre a la configuration [Ar] 4s² 3d⁶, tandis que Fe²⁺ a la configuration [Ar] 3d⁶ après perte des deux électrons 4s.

💡 Astuce mémo

PHK : Pauli, Hund, Klechkovski.

📖 7. Classification périodique et Lewis

🔑 Notions clés & Définitions

• Notation de Lewis : Représentation des électrons de valence d’un atome, notamment des électrons célibataires et des doublets.

★ À maîtriser

• La classification périodique moderne ordonne les éléments selon le numéro atomique Z croissant, alors que Mendeleïev avait classé les éléments selon la masse atomique en 1869.

• Dans une période, les éléments ont le même nombre quantique principal n, tandis que dans une colonne ils ont le même nombre d’électrons de valence.

• Les électrons de valence sont responsables de la réactivité chimique et participent aux liaisons chimiques.

• Les métaux situés à gauche du tableau périodique cèdent facilement des électrons, tandis que les non-métaux situés à droite en captent pour atteindre la configuration du gaz rare voisin.

Compléments

• Les gaz rares sont très stables et chimiquement inertes.

💡 Astuce mémo

À gauche, les métaux cèdent des électrons ; à droite, les non-métaux en captent.

📖 8. Propriétés atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon covalent : Moitié de la distance entre deux atomes voisins dans une molécule.
• Énergie d’ionisation : Énergie positive à fournir pour arracher un électron à un atome gazeux.
• Électronégativité : Grandeur qualitative sans unité qui caractérise l’aptitude d’un élément à attirer la densité électronique d’une liaison.
• Rayon métallique : Moitié de la distance entre les plus proches voisins dans un solide métallique.

★ À maîtriser

• Pour un même élément, le rayon ionique suit généralement r(A²⁺) < r(A⁺) < r(A) < r(A⁻).

Compléments

• Le rayon de Van der Waals correspond à la distance minimale d’approche entre deux atomes non liés ou entre deux molécules en interaction.

• Sur l’échelle indiquée, les électronégativités sont F = 4, O = 3,5, N = 3, C = 2,5, H = 2,1 et Cs = 0,7.

📖 9. Noyaux et énergie nucléaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie de liaison nucléaire : Énergie liée à l’interaction entre les nucléons du noyau et associée au défaut de masse entre le noyau et ses constituants séparés.

★ À maîtriser

📐 Formule - La relation d’Einstein relie l’énergie et la masse par $E=mc^2$.

• L’énergie nucléaire libérée est reliée au défaut de masse par $\Delta E=\Delta m c^2$.

📌 La fusion assemble des noyaux légers, tandis que la fission divise un noyau lourd en fragments.

Compléments

• La fission d’un noyau d’uranium 235 libère environ 200 MeV, tandis que la combustion d’une molécule de fuel libère environ 10 eV.

• L’énergie de liaison nucléaire est de l’ordre de 1 à 8,5 MeV par nucléon, contre 4,5 eV pour la liaison H–H dans l’exemple donné.

💡 Astuce mémo

La fusion assemble des noyaux ; la fission divise un noyau lourd.

📖 10. Radioactivité et transformations nucléaires

🔑 Notions clés & Définitions

• Radioisotope : Isotope dont le noyau est instable et qui se désintègre en émettant un rayonnement.
• Radioélément : Élément dont tous les isotopes sont radioactifs.
• Période radioactive : La période radioactive caractérise la durée de désintégration d’un radionucléide ; les exemples indiqués sont 12,3 ans pour ³H, 4,5 milliards d’années pour ²³⁸U, 5730 ans pour ¹⁴C et 8 jours pour ¹³¹I.

★ À maîtriser

📌 Une désintégration nucléaire modifie le numéro atomique et transforme le radionucléide en un autre élément, tandis qu’une transition nucléaire désexcite le noyau sans changer l’élément.

• Une désintégration α concerne les noyaux lourds, notamment ceux de Z ≥ 82, et émet une particule ⁴₂He en diminuant A de 4 et Z de 2.

• Lors d’une désintégration β⁻, un neutron devient un proton avec émission d’un électron et d’un antineutrino ; A reste inchangé et Z augmente de 1.

• Lors d’une transition γ, un noyau excité se désexcite en émettant un photon gamma sans changement de l’élément.

Compléments

• Lors d’une désintégration β⁺, un proton devient un neutron avec émission d’un positon et d’un neutrino ; A reste inchangé et Z diminue de 1.

• Lors d’une capture électronique, le noyau capture un électron qui se combine avec un proton pour former un neutron ; A reste inchangé et Z diminue de 1.

• Lors d’une conversion interne, le noyau excité transfère son énergie à un électron qui est éjecté, ce qui ionise l’atome et peut entraîner l’émission de rayons X lors du réarrangement électronique.

• Le technétium-99m provient de la désintégration du molybdène-99 et peut se désexciter en émettant un photon gamma ; sa durée de vie de plusieurs heures permet son utilisation comme marqueur médical.

💡 Astuce mémo

Désintégration α, β⁻, β⁺ ou capture électronique, puis éventuelle désexcitation γ.

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des transformations nucléaires