Fiche de révision : Structure de l’atome et périodicité

📋 Plan du Cours

1. Constituants et identification de l’atome
2. Modèles de Rutherford et de Bohr
3. Transitions et spectres atomiques
4. Nombres quantiques et orbitales
5. Configuration électronique des atomes
6. Périodes, groupes et familles
7. Propriétés périodiques et valence

📖 1. Constituants et identification de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Ensemble électriquement neutre constitué d’un noyau contenant protons et neutrons, entouré d’électrons.
• Numéro atomique : Nombre de protons du noyau et, dans un atome neutre, nombre d’électrons.
• Isotopes : Atomes d’un même élément ayant le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.

★ À maîtriser

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

Compléments

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

• L’électron porte une charge de −1,60 × 10⁻¹⁹ C et a une masse de 0,911 × 10⁻³⁰ kg, environ 1 800 fois inférieure à celle du proton.

💡 Astuce mémo

Z compte les protons ; A compte les nucléons

📖 2. Modèles de Rutherford et de Bohr

★ À maîtriser

📌 Le modèle de Rutherford décrit des électrons en orbite classique autour du noyau, mais il prévoit leur perte d’énergie par rayonnement et leur chute dans le noyau, en contradiction avec l’expérience.

• Dans le modèle de Bohr, l’électron se trouve sur des orbites stationnaires sans émission d’énergie et émet ou absorbe un photon lorsqu’il passe d’un niveau à un autre.

📐 Formule - Pour l’atome d’hydrogène, le rayon de l’orbite de rang n vérifie $r_n = n^2 r_1$, avec $r_1 = 0{,}529\,\text{Å}$.

📐 Formule - Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie du niveau n vérifie $E_n = \frac{E_1}{n^2}$, avec $E_1 = -13{,}6\,\text{eV}$.

Compléments

📐 Formule - La quantification du moment cinétique dans le modèle de Bohr s’écrit $mvr = \frac{nh}{2\pi}$.

• L’énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène depuis son état fondamental est de 13,6 eV.

💡 Astuce mémo

Rutherford : orbites classiques ; Bohr : orbites stationnaires quantifiées

📖 3. Transitions et spectres atomiques

★ À maîtriser

• Lorsqu’un électron passe vers un niveau supérieur, il absorbe un photon ; lorsqu’il revient vers un niveau inférieur, il émet un photon.

📌 Un spectre d’émission présente des raies colorées sur fond noir et s’obtient avec un gaz chaud sous faible pression, tandis qu’un spectre d’absorption présente des raies ou bandes noires sur fond coloré après traversée d’un gaz froid par de la lumière blanche.

📐 Formule - La longueur d’onde, la fréquence et la vitesse de la lumière sont liées par $\lambda = \frac{c}{\nu}$, et le nombre d’onde vérifie $\sigma = \frac{1}{\lambda}$.

Compléments

• La constante de Rydberg donnée pour le spectre de l’hydrogène vaut $R_H = 1{,}09737\times10^7\,\text{m}^{-1}$.

• 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

Gaz chaud émet des raies ; gaz froid éclairé absorbe des raies

📖 4. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Entier strictement positif qui définit la couche électronique et le niveau principal d’énergie.
• Nombre quantique secondaire : Le nombre quantique secondaire ℓ définit la sous-couche et peut prendre les valeurs entières de 0 à n − 1 ; ℓ = 0, 1, 2 et 3 correspondent respectivement aux sous-couches s, p, d et f.
• Nombre quantique magnétique : Le nombre quantique magnétique m détermine l’orientation de l’orbitale et prend les valeurs entières de −ℓ à +ℓ, soit 2ℓ + 1 valeurs possibles.

★ À maîtriser

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

Compléments

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

• Une orbitale s est sphérique, tandis qu’une orbitale p a une forme de sablier et possède trois orientations possibles.

📖 5. Configuration électronique des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Répartition des électrons d’un atome sur 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 les quatre nombres quantiques identiques ; une orbitale peut contenir au maximum deux électrons de spins opposés.

• Le principe de stabilité impose le remplissage des niveaux d’énergie les plus bas dans la limite des places disponibles.

• Selon la règle de Hund, dans une sous-couche multiple, les électrons occupent d’abord un maximum d’orbitales de même énergie avec des spins parallèles.

• Selon la règle de Klechkowski, les sous-couches se remplissent par ordre croissant de n + ℓ ; à valeur égale, celle dont n est le plus petit se remplit d’abord.

Compléments

• L’ordre de remplissage donné commence par 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p et 5s.

💡 Astuce mémo

Pauli, stabilité, Hund, Klechkowski : PSHK

📖 6. Périodes, groupes et familles

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : Ligne horizontale du tableau périodique ; le tableau en compte sept.
• Groupe : Colonne du tableau périodique dont les éléments ont la même configuration électronique externe ; le tableau compte 18 colonnes.

📝 Points essentiels

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

• Les alcalins ont une configuration externe ns¹, les alcalino-terreux ns², les halogènes ns²np⁵ et les gaz rares ns²np⁶.

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

📖 7. Propriétés périodiques et valence

🔑 Notions clés & Définitions

• Rayon atomique : Moitié de la distance entre les centres de deux atomes liés par une liaison simple.
• Valence : Capacité d’un atome à former une liaison ; sa valeur correspond au nombre d’électrons célibataires.
• Électronégativité : L’électronégativité est le pouvoir d’un élément d’attirer un électron ; un élément qui perd facilement un ou plusieurs électrons est dit électropositif.

📝 Points essentiels

📌 Dans une période, lorsque Z augmente, le rayon atomique diminue et l’électronégativité augmente.

📌 Dans un groupe, lorsque Z augmente, le rayon atomique augmente et l’électronégativité diminue.

💡 Astuce mémo

Sur une période, le rayon diminue tandis que l’électronégativité augmente