Fiche de révision : Structure de l'atome

📋 Plan du Cours

1. Constituants et caractéristiques de l’atome
2. Isotopes et radioisotopes
3. Structure électronique et orbitales
4. Nombres quantiques et formes orbitalaires
5. Principes de remplissage électronique
6. Configurations et ions
7. Tableau périodique et éléments biologiques
8. Propriétés périodiques et magnétisme

📖 1. Constituants et caractéristiques de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Rutherford, 1911 — Constitué d’un noyau très dense contenant des protons et des neutrons, entouré d’un nuage électronique, et essentiellement composé de vide.

★ À maîtriser

• Un proton porte la charge élémentaire positive $+e=+1{,}602.10^{-19}\ \mathrm{C}$, un électron porte la charge élémentaire négative $-e=-1{,}602.10^{-19}\ \mathrm{C}$ et un neutron est électriquement neutre.

📐 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.

Compléments

• Pour l’atome de calcium $^{40}_{20}\mathrm{Ca}$, A vaut 40, Z vaut 20 et le nombre de neutrons vaut A−Z=20.

💡 Astuce mémo

Noyau massif au centre, nuage électronique autour

📖 2. Isotopes et radioisotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Isotopes : Atomes d’un même élément possédant le même nombre de protons, donc le même Z, mais un nombre de neutrons différent.

★ À maîtriser

• Les isotopes de l’hydrogène sont le protium $^{1}_{1}\mathrm{H}$ stable, le deutérium $^{2}_{1}\mathrm{H}$ stable et le tritium $^{3}_{1}\mathrm{H}$ artificiel et radioactif.

Compléments

• Pour un isotope donné, la stabilité dépend du rapport entre le nombre de neutrons et le nombre de protons ; un rapport proche de 1 est typique des noyaux stables, tandis qu’un rapport proche de 1,5 est associé à la radioactivité.

• Le rayonnement caractéristique d’un radioisotope permet sa localisation et son suivi dans l’organisme, comme l’iode radioactif utilisé pour analyser le fonctionnement de la thyroïde.

💡 Astuce mémo

Même Z, neutrons différents

📖 3. Structure électronique et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Région de l’espace où la probabilité de présence d’un électron est élevée, environ 95 %, et qui constitue son adresse dans l’atome.

📝 Points essentiels

• La mécanique quantique ne permet pas de déterminer précisément la position d’un électron, sauf dans le cas particulier de l’électron de l’hydrogène, mais elle permet de calculer une probabilité de présence.

• Les électrons occupent des niveaux d’énergie quantifiés et leur organisation permet de comprendre la formation des liaisons chimiques et des molécules.

💡 Astuce mémo

Une orbitale comme une région nuageuse où l’électron est probablement présent

📖 4. Nombres quantiques et formes orbitalaires

★ À maîtriser

• Le nombre quantique principal n définit la couche électronique et sa dimension ; une couche n peut contenir au maximum $2n^2$ électrons, avec K pour n=1, L pour n=2, M pour n=3 et N pour n=4.

• Le nombre quantique azimutal l définit la sous-couche et la forme de l’orbitale, avec l=0 pour s, l=1 pour p, l=2 pour d et l=3 pour f.

• Le nombre quantique de spin s caractérise le sens de rotation de l’électron et peut prendre les deux valeurs $+\frac{1}{2}$ ou $-\frac{1}{2}$.

Compléments

• Le nombre quantique magnétique m définit l’orientation spatiale de l’orbitale et prend les valeurs entières comprises entre −l et +l.

💡 Astuce mémo

n-l-m-s : dimension, forme, orientation, spin

📖 5. Principes de remplissage électronique

📝 Points essentiels

• Le principe de stabilité impose de placer les électrons dans les états énergétiques les plus bas possibles afin d’obtenir l’état fondamental.

• Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir les quatre mêmes nombres quantiques ; une orbitale contient donc au maximum deux électrons de spins opposés.

• La règle de Hund impose, pour des orbitales de même énergie, de placer d’abord les électrons dans un maximum d’orbitales avec des spins parallèles avant de les apparier.

• L’ordre de remplissage des orbitales selon Klechkowski est $1s\ 2s\ 2p\ 3s\ 3p\ 4s\ 3d\ 4p\ 5s\ 4d\ 5p\ 6s\ 4f\ 5d\ 6p\ 7s\ 5f\ 6d\ 7p$.

💡 Astuce mémo

Klechkowski remplit par énergie, Hund sépare avant d’apparier

📖 6. Configurations et ions

🔑 Notions clés & Définitions

• Représentation de Lewis : Ne montre que les électrons de la couche externe, car ils déterminent les propriétés chimiques, les liaisons et la formation des ions.

★ À maîtriser

• La configuration électronique du carbone, de numéro atomique Z=6, est $1s^2\ 2s^2\ 2p^2$.

• Un atome forme un ion en perdant ou en gagnant des électrons de sa couche périphérique afin d’acquérir une structure proche de celle du gaz noble le plus proche.

• Le sodium Na, de configuration $1s^2 2s^2 2p^6 3s^1$, perd un électron pour former Na+ ; le fluor F, de configuration $1s^2 2s^2 2p^5$, gagne un électron pour former F−.

Compléments

• La configuration électronique du calcium, de numéro atomique Z=20, est $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^2$.

💡 Astuce mémo

Perte ou gain d’électrons → couche externe plus stable

📖 7. Tableau périodique et éléments biologiques

★ À maîtriser

• Les quatre atomes composant 96 % de la masse du corps humain sont:

  • carbone
  • hydrogène
  • oxygène
  • azote

• Dans le tableau périodique, les éléments sont classés par numéro atomique croissant ; les lignes sont les périodes et les colonnes sont les familles.

Compléments

• Les sept autres atomes composant 4 % de la masse sont:

  • sodium
  • potassium
  • magnésium
  • calcium
  • phosphore
  • soufre
  • chlore

• Douze atomes sont présents à l’état de traces, ou oligoéléments, notamment le zinc, le cuivre, le fluor, le sélénium et le fer.

📖 8. Propriétés périodiques et magnétisme

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’ionisation : Énergie qu’il faut fournir à un atome pour lui arracher un électron.
• Électronégativité : Tendance d’un élément à attirer des électrons ; elle augmente de gauche à droite dans une période et diminue de haut en bas dans une colonne, le fluor étant l’élément le plus électronégatif.

📝 Points essentiels

• Le rayon atomique augmente de haut en bas dans une colonne et diminue de gauche à droite dans une période.

📌 Un atome diamagnétique possède autant d’électrons de spin +1/2 que de spin −1/2, tandis qu’un atome paramagnétique possède des électrons non appariés et un nombre différent de spins +1/2 et −1/2.

💡 Astuce mémo

Électronégativité attire, potentiel d’ionisation arrache

📊 Tableaux de synthèse

Tendances périodiques