Fiche de révision : Structure et configuration des atomes

📋 Plan du Cours

1. Histoire et structure de l’atome
2. Éléments et isotopes
3. Masse molaire et spectres atomiques
4. Corps purs et spectroscopie
5. Énergie et orbitales de l’hydrogène
6. Nombres quantiques et orbitales
7. Atomes polyélectroniques
8. Configurations électroniques et ions

📅 Repères chronologiques

1. 440 avant JCLeucippe Démocrite introduit la notion d’atome, décrit comme indivisible.
2. 1897J.J Thomson découvre l’électron.
3. 1909Ernest Rutherford démontre le modèle noyau-électrons.

📖 1. Histoire et structure de l’atome

📝 Points essentiels

• Robert Millikan mesure la charge élémentaire de l’atome : e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C.

💡 Astuce mémo

Leucippe-Démocrite → Dalton → Thomson → Rutherford

📖 2. Éléments et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément : Regroupe les noyaux atomiques ayant le même nombre de protons Z, appelé numéro atomique, et les mêmes propriétés chimiques.

★ À maîtriser

• Dans la notation nucléaire, A désigne le nombre de nucléons et Z le nombre de protons.

• Un atome neutre contient autant d’électrons que de protons.

📌 Les isotopes d’un élément ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents.

Compléments

• Les isotopes de l’hydrogène sont :

  • le protium ¹₁H
  • le deutérium ²₁H
  • le tritium ³₁H

• Le comptage des isotopes père et fils, comme ⁸⁷₃₇Rb → ⁸⁷₃₈Sr + énergie, permet la datation des roches.

💡 Astuce mémo

Même Z : même élément ; neutrons différents : isotopes différents

📖 3. Masse molaire et spectres atomiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Masse molaire atomique : Moyenne des masses isotopiques pondérée par leurs abondances naturelles, exprimée en g·mol⁻¹.

★ À maîtriser

• Une mole contient 6,022 × 10²³ entités.

• Chaque atome possède un spectre caractéristique, et certains corps purs sont détectés par spectroscopie dans l’ultraviolet, l’infrarouge ou les rayons X.

• Les spectres d’émission et d’absorption résultent de transitions de l’électron entre différents niveaux d’énergie.

Compléments

• Le carbone naturel a une masse molaire atomique de 12,001 g·mol⁻¹ et comprend 98,9 % de ¹²₆C et 1,1 % de ¹³₆C.

💡 Astuce mémo

Transitions électroniques → spectres d’émission ou d’absorption

📖 4. Corps purs et spectroscopie

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps pur : Substance chimique caractérisée par des propriétés physiques et chimiques constantes, notamment sa stœchiométrie et ses températures de fusion et d’ébullition.

★ À maîtriser

📌 Un corps pur simple contient un seul type d’élément, comme O₃(g), tandis qu’un corps pur composé contient plusieurs éléments, comme NO₂(g).

Compléments

• Le fer Fe(s) est un corps pur élémentaire.

• La détection UV des gaz atmosphériques peut concerner :
  • O₃
  • ClO₂
  • CH₂O
  • NO₂
  • BrO

💡 Astuce mémo

Un seul élément peut former un corps simple ou composé

📖 5. Énergie et orbitales de l’hydrogène

★ À maîtriser

• L’énergie nécessaire pour arracher l’électron de l’hydrogène est ΔE = 2,18 × 10⁻¹⁸ J, soit 13,6 eV.

• Un électron de l’atome d’hydrogène dans son état fondamental a l’énergie E₁ = −13,6 eV, et l’état ionisé à énergie nulle correspond à E∞ = 0 eV.

📐 Formule - Pour l’atome d’hydrogène, l’énergie de l’électron est quantifiée selon $E_n = -\frac{13{,}6}{n^2}\ \text{eV}$.

Compléments

• L’électron reçoit de l’énergie pour passer à un niveau supérieur et perd de l’énergie lorsqu’il passe à un niveau inférieur.

📖 6. Nombres quantiques et orbitales

★ À maîtriser

• Les orbitales atomiques de l’hydrogène sont décrites par les fonctions d’onde Ψₙ,ₗ,ₘ(r, θ, γ), associées aux nombres quantiques principal n, azimutal ℓ et magnétique m.

📌 Les nombres quantiques permis vérifient n ≥ 1, 0 ≤ ℓ ≤ n − 1 et −ℓ ≤ m ≤ +ℓ.

• Les lettres des orbitales correspondent à ℓ = 0 pour s, ℓ = 1 pour p, ℓ = 2 pour d et ℓ = 3 pour f.

Compléments

• L’orbitale Ψ₁,₀,₀ est nommée 1s, car n = 1 et ℓ = 0.

📌 Des orbitales de noms différents mais de même énergie sont dites dégénérées.

💡 Astuce mémo

n-ℓ-m : principal, azimutal, magnétique

📖 7. Atomes polyélectroniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Charge nucléaire efficace : La charge nucléaire efficace Z_eff est la charge ressentie par un électron après l’effet d’écran des autres électrons et vérifie Z_eff = Z − σ.

★ À maîtriser

• Les électrons du même niveau et des niveaux inférieurs atténuent l’attraction du noyau sur l’électron considéré.

• Le moment magnétique propre de l’électron est quantifié par le nombre quantique de spin m_s, qui peut valoir +½ ou −½.

Compléments

• Dans l’atome de béryllium, chaque électron 2s subit une constante d’écran σ = 2,05 et l’énergie du niveau 2s vaut −12,93 eV.

📌 Deux électrons parallèles ont le même comportement magnétique, tandis que deux électrons appariés ont un comportement magnétique différent.

💡 Astuce mémo

Électrons écrantants → attraction nucléaire effective diminuée

📖 8. Configurations électroniques et ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Configuration électronique : Répartition des électrons d’un atome dans les orbitales permises.

★ À maîtriser

📌 À l’état fondamental, les orbitales se remplissent par ordre croissant de n + ℓ ; à somme n + ℓ égale, l’orbitale dont n est le plus petit se remplit d’abord.

• Les capacités maximales sont :

  • s : 2 électrons
  • p : 6 électrons
  • d : 10 électrons
  • f : 14 électrons

• La couche de valence est celle dont le nombre quantique principal n est le plus grand.

• Pour former un cation d’un métal de transition, les électrons 4s sont retirés avant les électrons 3d.

Compléments

• Le titane, de numéro atomique 22, a pour configuration électronique 1s² 2s² 3s² 3p⁶ 4s² 3d².

📌 Pour Z ≥ 21, l’énergie de l’orbitale 4s est supérieure à celle de l’orbitale 3d.

💡 Astuce mémo

Remplir, saturer, puis retirer d’abord 4s pour les cations de transition