Fiche de révision : Structure de l’atome et matière

📋 Plan du Cours

1. Constitution et identification de l’atome
2. Masses atomiques et quantité de matière
3. Modèles de Rutherford et Bohr
4. Transitions et spectres atomiques
5. Nombres quantiques et orbitales
6. Configuration électronique
7. Classification périodique
8. Familles du tableau périodique
9. Propriétés périodiques des éléments

📖 1. Constitution et identification de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Ensemble électriquement neutre formé d’un noyau central contenant des protons et des neutrons, entouré d’électrons.

📝 Points essentiels

• Le proton porte une charge de +1,60 × 10⁻¹⁹ C et une masse de 1,673 × 10⁻²⁷ kg, tandis que le neutron est neutre et possède une masse de 1,675 × 10⁻²⁷ kg.

• L’électron porte une charge de −1,60 × 10⁻¹⁹ C, possède une masse de 0,911 × 10⁻³⁰ kg et est environ 1800 fois moins lourd que le proton.

📐 Formule — Le nombre de masse vérifie $A=Z+N$, où Z est le nombre de protons et N le nombre de neutrons.

📌 Les isotopes sont des atomes ayant le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.

💡 Astuce mémo

Noyau massif et positif, nuage électronique léger et négatif

📖 2. Masses atomiques et quantité de matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Mole : Quantité de matière contenant autant d’atomes qu’il y en a dans 12 g de carbone 12.

★ À maîtriser

• Le nombre d’Avogadro vaut 6,0221 × 10²³ particules par mole.

Compléments

📐 Formule — La masse atomique d’un atome est donnée par $m_{at}=Zm_e+Zm_p+Nm_n$.

📐 Formule — La masse atomique relative moyenne d’un élément est $m=\sum_i x_i m_i$ et sa masse molaire moyenne est $M=\sum_i x_i M_i$.

📖 3. Modèles de Rutherford et Bohr

📝 Points essentiels

📌 Le modèle de Rutherford décrit l’atome comme un noyau positif autour duquel les électrons suivent des orbites, mais il prévoit une perte d’énergie incompatible avec la stabilité observée.

📌 Dans le modèle de Bohr, l’électron ne peut occuper que des orbites stationnaires sur lesquelles il ne rayonne pas d’énergie.

📐 Formule — Le modèle de Bohr quantifie le moment cinétique selon $mvr=\frac{nh}{2\pi}$.

📐 Formule — Pour l’atome d’hydrogène, le rayon et l’énergie d’une orbite sont donnés par $r_n=n^2r_1$ et $E_n=\frac{E_1}{n^2}$, avec $r_1=0{,}529\ \text{Å}$ et $E_1=-13{,}6\ \text{eV}$.

💡 Astuce mémo

Orbites classiques instables → niveaux d’énergie quantifiés

📖 4. Transitions et spectres atomiques

★ À maîtriser

📐 Formule — Lors d’une transition électronique, l’énergie du photon vérifie $\Delta E=|E_f-E_i|=h\nu$.

📌 L’absorption fait passer l’électron d’un niveau n à un niveau supérieur p avec p>n, tandis que l’émission le fait passer de p vers n.

📐 Formule — La relation de Rydberg pour l’hydrogène est $\frac{1}{\lambda}=R_H\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{p^2}\right)$ avec $R_H=1{,}09737\times10^7\ \text{m}^{-1}$.

Compléments

• Les séries spectrales de l’hydrogène sont:
  • Lyman pour n=1
  • Balmer pour n=2
  • Paschen pour n=3
  • Brackett pour n=4
  • Pfund pour n=5

💡 Astuce mémo

Absorption vers un niveau supérieur, émission vers un niveau inférieur

📖 5. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Entier positif qui détermine la couche énergétique et peut prendre les valeurs 1, 2, 3, etc.

★ À maîtriser

• Une couche de nombre quantique principal n peut contenir au maximum $2n^2$ électrons.

• Le nombre quantique secondaire ℓ varie de 0 à n−1 et correspond aux sous-couches s, p, d et f pour ℓ égal à 0, 1, 2 et 3.

• Le nombre quantique de spin ne peut prendre que les valeurs +1/2 et −1/2.

Compléments

• Le nombre quantique magnétique m prend les valeurs entières de −ℓ à +ℓ et possède donc $2\ell+1$ valeurs possibles.

💡 Astuce mémo

n → ℓ → m → spin : couche, sous-couche, orientation, rotation

📖 6. Configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Répartition des Z électrons d’un atome dans les orbitales atomiques à l’état fondamental.

★ À maîtriser

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

• Le principe de stabilité impose aux électrons d’occuper en priorité les niveaux d’énergie les plus bas disponibles.

• La règle de Hund impose que les électrons occupent d’abord le maximum d’orbitales de même énergie avec des spins parallèles.

• La règle de Klechkowski remplit les sous-couches par ordre croissant de n+ℓ et, en cas d’égalité, par ordre croissant de n.

• Les électrons de cœur occupent les orbitales internes, tandis que les électrons de valence occupent les couches périphériques et déterminent les propriétés chimiques.

Compléments

• L’ordre de remplissage est:

  • 1s
  • 2s
  • 2p
  • 3s
  • 3p
  • 4s
  • 3d
  • 4p
  • 5s
  • 4d

• Les exceptions citées concernent:

  • le chrome
  • le molybdène
  • le cuivre
  • l’argent
  • l’or

💡 Astuce mémo

Pauli, stabilité, Hund, Klechkowski

📖 7. Classification périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : Ligne horizontale du tableau périodique, et le tableau comporte sept périodes.
• Groupe : Colonne du tableau périodique regroupant des éléments ayant la même configuration électronique externe.

📝 Points essentiels

• Le tableau périodique comprend 18 colonnes réparties en 9 groupes, dont les sept premiers comportent des sous-groupes A et B.

📌 Les éléments du sous-groupe A possèdent une couche externe de type ns np, tandis que ceux du sous-groupe B possèdent un état d.

📖 8. Familles du tableau périodique

★ À maîtriser

• Les éléments du groupe s occupent les colonnes 1 et 2, ceux du groupe p les colonnes 13 à 18, et ceux du groupe d les colonnes 3 à 12.

• Les configurations externes sont:

  • alcalins : ns¹
  • alcalino-terreux : ns²
  • halogènes : ns²np⁵
  • gaz rares : ns²np⁶

• Les éléments de transition possèdent des orbitales d incomplètement remplies, tandis que les terres rares possèdent des orbitales f en cours de remplissage.

Compléments

• Les lanthanides correspondent au remplissage de l’orbitale 4f et les actinides au remplissage de l’orbitale 5f.

📖 9. Propriétés périodiques des éléments

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon atomique : Moitié de la distance entre les centres de deux atomes liés par une liaison simple.
• Électronégativité : Pouvoir d’un élément d’attirer un électron.
• Valence : Capacité d’un atome à former une liaison et sa valeur correspond au nombre d’électrons célibataires.

📝 Points essentiels

📌 Sur une période, le rayon atomique diminue lorsque Z augmente, tandis que dans une colonne il augmente lorsque Z augmente.

📌 L’électronégativité augmente avec Z sur une période et diminue avec Z dans un même groupe.

💡 Astuce mémo

Rayon augmente vers le bas, électronégativité augmente vers le haut et la droite

📊 Tableaux de synthèse

Évolution des propriétés périodiques