Fiche de révision : Structure et réactivité atomiques

📋 Plan du Cours

1. Histoire et constituants de l’atome
2. Nucléides, isotopes et masses atomiques
3. Dualité onde-corpuscule
4. Fonction d’onde et quantification
5. Nombres quantiques et orbitales
6. Configurations électroniques
7. Charge effective et rayons
8. Propriétés périodiques
9. Ions, liaisons et matière
10. Quantité de matière et mélanges

📅 Repères chronologiques

1. 1803John Dalton a formulé scientifiquement la théorie atomique
2. 1869Mendeleïev a publié un tableau périodique classant les éléments par masse atomique croissante et regroupant les analogies chimiques — Dimitri Mendeleïev, 1869
3. 1871Mendeleïev a déplacé 17 éléments et introduit les groupes et les périodes
4. 1897Joseph Thomson a mis en évidence l’électron et déterminé son rapport masse/charge

📖 1. Histoire et constituants de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Noyau atomique : Concentre la matière de l’atome, comme l’a montré la faible déviation de la majorité des particules α lors de leur traversée de la matière.

📝 Points essentiels

• Démocrite et Empédocle ont proposé dès le Ve siècle av. J.-C. que les corps sont constitués de particules très légères, invisibles et indivisibles appelées atomes.

💡 Astuce mémo

Dalton → Thomson → Rutherford → proton/neutron

📖 2. Nucléides, isotopes et masses atomiques

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un nucléide $^{A}_{Z}X$, le noyau contient $Z$ protons et $A-Z$ neutrons, avec $A=N+Z$.

📌 Des isotopes possèdent le même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents.

📐 Formule — La masse atomique moyenne d’un élément est la somme des produits de chaque masse isotopique par son abondance relative, soit $M=\sum_i m_i\frac{a_i}{100}$.

Compléments

📌 Des isobares ont le même nombre de masse A mais appartiennent à des éléments différents, tandis que des isotones ont le même nombre de neutrons N.

💡 Astuce mémo

Isotopes : même Z ; isobares : même A

📖 3. Dualité onde-corpuscule

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’énergie d’un photon est $E=h\nu$ et sa quantité de mouvement est $p=\frac{h}{\lambda}$.

📐 Formule — L’effet photoélectrique vérifie $h\nu=\phi+\frac{1}{2}mv^2$, où $\phi=h\nu_0$ est le travail d’extraction de l’électron. — Albert Einstein, 1905

📐 Formule — La relation de De Broglie associe à toute particule de quantité de mouvement p une longueur d’onde $\lambda=\frac{h}{p}$. — Louis De Broglie, 1924

💡 Astuce mémo

Lumière et électron : onde et corpuscule

📖 4. Fonction d’onde et quantification

🔑 Notions clés & Définitions

• Fonction d’onde : Décrit l’état quantique d’une particule, et le carré de son module $|\psi|^2$ représente la densité de probabilité de présence.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Le principe d’incertitude de Heisenberg impose $\Delta r\,\Delta p\geq\frac{\hbar}{2}$, de sorte que la position et la quantité de mouvement ne peuvent pas être connues simultanément avec une précision arbitraire. — Werner Heisenberg, 1927

📐 Formule — L’équation de Schrödinger s’écrit $H\psi=E\psi$, où H est l’opérateur hamiltonien et E une valeur propre correspondant à une énergie mesurable.

💡 Astuce mémo

|ψ|² → probabilité de présence ; Schrödinger → énergies quantifiées

📖 5. Nombres quantiques et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Nombre quantique principal : Avec n=1,2,…, définit la couche électronique et quantifie le niveau d’énergie.
• Nombre quantique secondaire : Vérifie $0\leq l\leq n-1$ et définit la sous-couche ainsi que la forme de l’orbitale.
• Nombre quantique magnétique : Vérifie $-l\leq m_l\leq+l$ et définit l’orientation de l’orbitale dans l’espace.

📝 Points essentiels

• Le nombre quantique de spin ms possède deux valeurs possibles, $m_s=+1/2$ et $m_s=-1/2$.

💡 Astuce mémo

n : couche → l : forme → ml : orientation → ms : spin

📖 6. Configurations électroniques

★ À maîtriser

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’une même configuration d’avoir les quatre nombres quantiques identiques.

📌 La règle de Hund impose de placer d’abord un électron dans chaque orbitale d’une sous-couche avant de former des doublets.

📌 La règle de Klechkowsky impose le remplissage fondamental des orbitales par énergie croissante, selon l’ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p.

Compléments

• Les exceptions de configuration du chrome et du cuivre sont respectivement Cr : [Ar] 3d5 4s1 et Cu : [Ar] 3d10 4s1, car les sous-couches d demi-pleines ou pleines sont plus stables.

💡 Astuce mémo

Klechkowsky → Pauli → Hund

📖 7. Charge effective et rayons

📝 Points essentiels

📐 Formule — La charge nucléaire effective ressentie par un électron est $Z_{eff}=Z-\sigma$, où σ représente l’écran exercé par les autres électrons.

📌 Selon les règles de Slater, les électrons du même groupe contribuent pour 0,35 à l’écran, ceux de la couche n−1 pour 0,85 pour les électrons s et p, et les autres électrons situés à gauche pour 1.

📐 Formule — Pour un atome polyélectronique, l’énergie d’un électron est approximée par $E=-13{,}6\frac{Z_{eff}^2}{n^2}\ \text{eV}$.

📌 À couche principale identique, la pénétration suit s>p>d : un électron 2s est plus attiré et plus bas en énergie qu’un électron 2p.

💡 Astuce mémo

Écran → Zeff diminue → attraction et énergie diminuent

📖 8. Propriétés périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiel d’ionisation : Énergie nécessaire pour arracher un électron de valence à un atome isolé, gazeux, dans son état fondamental à 0 K.
• Affinité électronique : Tendance d’un atome gazeux à retenir un électron pour former un anion, avec dégagement d’énergie lorsque la réaction est favorable.
• Électronégativité : Tendance d’un atome engagé dans une liaison à attirer vers lui les électrons du doublet liant.

📝 Points essentiels

• Sur une période, Zeff augmente et le rayon atomique diminue par contraction du nuage électronique.

• Dans une colonne, Zeff augmente mais n augmente aussi, ce qui entraîne une augmentation du rayon atomique.

💡 Astuce mémo

Période : rayon diminue ; colonne : rayon augmente

📖 9. Ions, liaisons et matière

🔑 Notions clés & Définitions

• Liaison dative : Liaison covalente dont la paire électronique est fournie entièrement par l’atome donneur au voisin accepteur, selon le schéma D→A.

📝 Points essentiels

📌 La règle de l’octet décrit la tendance des atomes à gagner, perdre ou partager des électrons afin d’obtenir 8 électrons de valence, à l’exception de l’hydrogène et de l’hélium qui visent 2 électrons.

📌 Une liaison ionique résulte d’un transfert d’électrons et d’une attraction électrostatique non directionnelle, tandis qu’une liaison covalente résulte d’un partage d’électrons et est directionnelle.

📌 Un oxyde acide est généralement l’oxyde d’un non-métal, un oxyde basique celui d’un métal, et un oxyde amphotère réagit avec un acide comme avec une base.

💡 Astuce mémo

Transfert → ionique ; partage → covalente

📖 10. Quantité de matière et mélanges

★ À maîtriser

📐 Formule — Une mole contient $N_A=6{,}022\times10^{23}\ \text{mol}^{-1}$ particules, et la masse molaire vérifie $M=\frac{m}{n}$.

📐 Formule — La quantité de matière se calcule par $n=\frac{m}{M}$ ; ainsi, 0,36 g de béryllium de masse molaire 9 g·mol⁻¹ correspondent à 0,04 mol.

📌 Un corps pur contient une seule espèce chimique, tandis qu’un mélange contient plusieurs espèces chimiques et peut être homogène ou hétérogène.

Compléments

• Une mole de gaz parfait occupe 22,414 L à 0 °C et 1 atm, et 24,79 L à 25 °C et 1 bar.

📌 Un corps simple est constitué d’atomes d’un seul élément, tandis qu’un corps composé contient des atomes de plusieurs éléments.

📊 Tableaux de synthèse

Types de liaisons chimiques