Fiche de révision : Structure électronique des atomes

📋 Plan du Cours

1. Origines du concept d’atome
2. Constitution et éléments chimiques
3. Nombres quantiques et orbitales
4. Énergie et configuration électronique
5. Stabilité et réactivité chimiques
6. Spectroscopie et magnétisme
7. Métaux de transition

📅 Repères chronologiques

1. −420Démocrite soutient que la matière est constituée de petits grains indivisibles.
2. 1869Mendéléïev introduit la classification périodique des éléments. — Dmitri Mendéléïev, 1869
3. 1897Thomson découvre l’électron grâce à l’étude des tubes cathodiques et propose le modèle du Plum-pudding. — Thompson, 1897
4. 1911Rutherford montre que l’atome possède un noyau positif et une structure lacunaire grâce à la diffusion de particules α. — Ernest Rutherford, 1911
5. 1913Bohr propose un modèle planétaire avec des électrons en orbites circulaires autour du noyau. — Niels Bohr, 1913

📖 1. Origines du concept d’atome

★ À maîtriser

• Lavoisier décompose la matière en 33 substances non décomposables, contribuant à la séparation de la matière en entités élémentaires.

Compléments

• La matière est composée de (Aristote):
  • l’eau
  • l’air
  • la terre
  • le feu
  • l’éther

💡 Astuce mémo

Démocrite → Lavoisier → Dalton-Avogadro → Mendéléïev

📖 2. Constitution et éléments chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Constitué d’un noyau et d’électrons.
• Élément chimique : Ensemble des entités ayant le même numéro atomique Z.
• Isotopes : Atomes ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent.

★ À maîtriser

• Un atome neutre possède Z électrons, son diamètre est d’environ 10⁻¹⁰ m et sa masse est approximativement celle de son noyau.

Compléments

• Un électron possède une charge de −1,6 × 10⁻¹⁹ C et une masse de 9,1 × 10⁻³¹ kg.

• Le nombre d’Avogadro est une constante fixée depuis le 20 mai 2019, alors qu’il était auparavant défini par le nombre d’entités présentes dans 12 g de carbone 12.

💡 Astuce mémo

Même Z = même élément ; neutrons différents = isotopes

📖 3. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombres quantiques : Un électron est décrit par quatre nombres quantiques notés (n, l, m_l, m_s).
• Orbitale : Case quantique définie par les trois premiers nombres quantiques et pouvant contenir au maximum deux électrons.

📝 Points essentiels

• L’expérience de Stern et Gerlach montre que les électrons de spin +1/2 et −1/2 sont déviés dans deux directions opposées par un champ magnétique.

💡 Astuce mémo

Une orbitale comme une case pouvant accueillir deux électrons opposés

📖 4. Énergie et configuration électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• État fondamental : État de plus basse énergie et donc le plus stable.
• Configuration électronique : Répartition de tous les électrons d’un atome ou d’un ion dans les orbitales.

📝 Points essentiels

• Dans un diagramme énergétique, les énergies électroniques sont négatives et une énergie plus basse correspond à une stabilité plus grande.

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques, ce qui limite chaque orbitale à deux électrons de spins différents.

• La règle de Klechkowsky classe les orbitales par valeur croissante de n + l, puis par valeur croissante de n en cas d’égalité.

• La règle de Hund indique que, pour des orbitales dégénérées partiellement remplies, l’état fondamental maximise le nombre d’orbitales occupées avec des spins parallèles.

💡 Astuce mémo

Pauli → Klechkowsky → Hund

📖 5. Stabilité et réactivité chimiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de valence : Électrons de plus grande valeur de n auxquels s’ajoutent les électrons de sous-couches inférieures partiellement remplies.

📝 Points essentiels

📌 Les atomes gagnent ou perdent des électrons afin d’acquérir une configuration stable, notamment lorsque les sous-couches sont entièrement remplies ou demi-remplies.

• Les gaz rares possèdent les configurations les plus stables car toutes leurs couches électroniques sont remplies.

💡 Astuce mémo

Configuration stable → gain ou perte d’électrons → réactivité

📖 6. Spectroscopie et magnétisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Diamagnétisme : Une entité chimique est diamagnétique lorsque son spin total vérifie $S = \sum_i m_{s_i} = 0$.
• Paramagnétisme : Une entité chimique est paramagnétique lorsque son spin total vérifie $S = \sum_i m_{s_i} \ne 0$ et qu’elle interagit avec un champ magnétique extérieur.

★ À maîtriser

📐 Formule — Lors d’une transition électronique, l’écart d’énergie entre deux niveaux vaut $\Delta E = E_{photon} = h\nu$.

• Une émission lumineuse résulte du passage d’un électron d’une orbitale de niveau énergétique supérieur vers une orbitale de niveau énergétique inférieur, avec émission d’un photon.

Compléments

📐 Formule — La fréquence et la longueur d’onde d’un photon sont reliées par la relation $c = \lambda\nu$.

💡 Astuce mémo

S = 0 : diamagnétique ; S ≠ 0 : paramagnétique

📖 7. Métaux de transition

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément de transition : Possède au moins un degré d’oxydation stable dont la structure électronique présente une sous-couche d ou f partiellement remplie.

📝 Points essentiels

📌 Lors de l’ionisation des métaux de transition, les électrons ns sont arrachés avant les électrons (n − 1)d.

📊 Tableaux de synthèse

Comportement magnétique selon le spin total