Fiche de révision : Structure et configuration de l’atome

📋 Plan du Cours

1. Matière et propriétés
2. Corps purs et mélanges
3. Composition et notation atomiques
4. Éléments nucléides et isotopes
5. Énergie et spectres atomiques
6. Nombres quantiques et orbitales
7. Écrantage et modèle de Slater
8. Représentation et remplissage électronique
9. Valence et configurations ioniques
10. Exceptions de configuration

📖 1. Matière et propriétés

🔑 Notions clés & Définitions

• Matière : Toute chose qui occupe un espace et possède une masse, notamment les atomes et les molécules.
• Atome : La plus petite unité caractéristique d’un échantillon de matière et le constituant élémentaire des substances solides, liquides ou gazeuses.
• Molécule : Une unité formée d’au moins deux atomes unis par des liaisons covalentes selon un arrangement donné.

📝 Points essentiels

📌 Une propriété physique caractérise la matière sans modifier sa composition, tandis qu’une propriété chimique la caractérise avec modification de sa composition.

💡 Astuce mémo

Propriété physique : composition inchangée ; propriété chimique : composition modifiée.

📖 2. Corps purs et mélanges

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps pur : Une matière ayant une composition et des propriétés définies, sans variation d’un échantillon à l’autre.

★ À maîtriser

📌 Un élément est une substance constituée d’atomes d’un seul type et inséparable en substances plus simples par réaction chimique, tandis qu’un composé contient au moins deux types d’éléments dans des proportions fixes.

📌 Un mélange homogène présente des composants indiscernables et des phases miscibles, tandis qu’un mélange hétérogène présente des composants distinguables à l’œil nu.

Compléments

• Lors d’un changement d’état, la température varie pour un mélange, alors qu’elle ne varie pas pour un corps pur.

💡 Astuce mémo

Homogène : composants indiscernables ; hétérogène : composants visibles.

📖 3. Composition et notation atomiques

★ À maîtriser

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

📌 Un atome neutre possède Z protons et Z électrons, car ses charges positives et négatives se compensent.

Compléments

• Un proton possède une charge de +1,60219 × 10⁻¹⁹ C, un neutron une charge nulle et un électron une charge de −1,60219 × 10⁻¹⁹ C.

• La masse d’un électron est de 9,110 × 10⁻³¹ kg, soit environ 10⁴ fois moins que la masse d’un proton ou d’un neutron.

💡 Astuce mémo

A = Z + N : nucléons = protons + neutrons.

📖 4. Éléments nucléides et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotope : Un atome ayant le même numéro atomique Z qu’un autre atome mais un nombre de neutrons N différent, et donc un nombre de masse A différent.

★ À maîtriser

📌 Un élément regroupe les atomes ou ions ayant le même numéro atomique Z, tandis qu’un nucléide regroupe les atomes ayant le même Z et le même N.

Compléments

• Le carbone possède Z=6 ; le carbone-12 contient six protons et six neutrons, tandis que le carbone-13 contient six protons et sept neutrons, et ces deux nucléides sont isotopes.

• En 2016, plus de 2 300 nucléides étaient répertoriés pour 118 éléments dans le tableau périodique de Mendeleïev.

💡 Astuce mémo

Même Z : élément ; même Z et N : nucléide ; même Z, N différent : isotopes.

📖 5. Énergie et spectres atomiques

📝 Points essentiels

📌 L’excitation est l’absorption d’énergie qui fait passer un électron vers un niveau supérieur, tandis que la désexcitation est le retour vers un niveau inférieur avec émission d’un photon.

• Les niveaux d’énergie atomiques sont quantifiés, de sorte que les spectres d’absorption et d’émission sont discontinus et caractéristiques de chaque élément.

• Pour l’hydrogène, l’état fondamental correspond à n=1 et à une énergie de −13,6 eV.

📐 Formule — Pour l’hydrogène et les hydrogénoïdes, l’énergie du niveau n vérifie $E_n=-13{,}6\times\frac{Z^2}{n^2}\ \text{eV}$.

💡 Astuce mémo

Excitation → montée électronique → désexcitation → émission lumineuse.

📖 6. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Indique la couche électronique, la période et approximativement l’énergie et la taille de la trajectoire de l’électron.

★ À maîtriser

• Le nombre quantique secondaire l prend les valeurs entières de 0 à n−1 et définit la sous-couche électronique.

• Le nombre quantique magnétique m définit la case quantique, tandis que le nombre quantique de spin s, noté mₛ, ne prend que les valeurs −1/2 et +1/2.

Compléments

• Le nombre de cases par sous-couche est:
  • s : une case
  • p : trois cases
  • d : cinq cases
  • f : sept cases

💡 Astuce mémo

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

📖 7. Écrantage et modèle de Slater

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge nucléaire effective : La charge réellement ressentie par un électron après prise en compte de l’écrantage des autres électrons.

★ À maîtriser

📐 Formule — Dans le modèle de Slater, la charge nucléaire effective vérifie $Z^*=Z_{eff}=Z-\sum\sigma$.

📌 Un électron ne s’écrante pas lui-même, chaque électron du même groupe écrante généralement de 0,35 et chaque électron d’un groupe profond écrante de 1.

Compléments

• Pour le sodium, la CNE d’un électron 3s vaut Z*=2,2, tandis que celle d’un électron 1s vaut Z*=10,69.

💡 Astuce mémo

Électrons internes → écrantage → charge nucléaire effective diminuée.

📖 8. Représentation et remplissage électronique

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : La répartition des électrons dans les cases quantiques d’un atome ou d’un ion à l’état fondamental.

📝 Points essentiels

📌 Le principe de Pauli interdit à deux électrons d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques ; une case contient donc au maximum deux électrons de spins opposés.

📌 La règle de Hund impose que les électrons occupent d’abord séparément les cases d’une même sous-couche avant de s’apparier.

• La règle de Klechkowski ordonne notamment le remplissage selon la succession 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p.

💡 Astuce mémo

Klechkowski pour l’énergie, Pauli pour les spins, Hund pour les cases.

📖 9. Valence et configurations ioniques

★ À maîtriser

📌 Les électrons de valence occupent les couches externes et participent aux liaisons chimiques, tandis que les électrons de cœur sont les autres électrons.

• Pour établir la configuration d’un ion, il faut d’abord écrire la configuration de l’atome neutre correspondant, puis ajouter ou retirer le nombre d’électrons imposé par la charge.

Compléments

• L’ion chlorure Cl⁻ possède 18 électrons et sa configuration est 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶.

• L’ion magnésium Mg²⁺ possède 10 électrons et sa configuration est 1s² 2s² 2p⁶.

💡 Astuce mémo

Électrons de valence : liaisons ; électrons de cœur : internes.

📖 10. Exceptions de configuration

★ À maîtriser

• Les exceptions de remplissage concernent quatre éléments : Cr et Mo adoptent une sous-couche d à moitié pleine, tandis que Cu et Ag adoptent une sous-couche d totalement pleine.

📌 Lors de l’ionisation d’un ion possédant des électrons ns et (n−1)d, les électrons ns sont retirés préférentiellement avant les électrons d.

📌 Lorsqu’une sous-couche d est occupée, les électrons de valence comprennent les électrons de la sous-couche d et ceux de la sous-couche s associée.

Compléments

• L’ion Mn²⁺ possède la configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁵, obtenue en retirant d’abord les deux électrons 4s de l’atome de manganèse.

💡 Astuce mémo

Crabe Mou, Cuillère d’Argent : Cr-Mo demi-pleins, Cu-Ag pleins.

📊 Tableaux de synthèse

Classification de la matière

Types d’électrons