L'Atome ⚛️

L'atome : Plus petite entité (d’un élément chimique) qui en conserve les propriétés chimiques, constitué d’un noyau chargé positivement (protons et neutrons) autour duquel se déplacent des électrons (forment nuage électronique / en orbite). Il est électriquement neutre à l’état fondamental.

Sa compréhension est essentielle en chimie et en physique.

Structure et Composition de l'Atome

• Dimensions:

  • Taille du noyau :

  • Taille de l'atome :

• Masse: La masse de l'atome est principalement concentrée dans le noyau. Les électrons ayant une masse très inférieur par rapport aux protons et neutrons.

Masse électrons <<< (proton < neutron)

➡️ protons & neutrons sensiblementla même masse.

Notation Atomique

Un atome est représenté par la notation suivante : , où :

• X: Symbole de l'élément chimique.

• A: Nombre de masse ou nombre de nucléons (protons + neutrons).

• Z: Numéro atomique, représente le nombre de protons. Dans un atome neutre, Z est aussi égal au nombre d'électrons.

Z définit l'identité chimique de l'élément. 💡

• Nombre de neutrons (N) : Calculé par .

👉🏻

Le microscopique :

👉🏻 désigne l’échelle des entités trop petites pour être observées directement à l’œil nu, correspondant aux constituants élémentaires de la matière.

• Unité = Entité

• Entité : Unité de matière microscopique prise individuellement (on les compte une par une)

Exemple :

• atome

• molécule,

• ion

• électron & nucléon

• Particule : Entité microscopique de matière, localisée dans l’espace, possédant une masse et éventuellement une charge, et pouvant interagir avec d’autres particules/entités

Les atomes, ions, molécules, électrons & protons sont au sens général tous des particules 💡

• Particules composites :

• Atome

• Molécule

• Particules chargée : Particule possédant une charge électrique positive ou négative.

• Ion

• Particules subatomiques : Particule plus petite que l’atome, constituant l’atome lui-même.

• Protons: Situés dans le noyau, charge positive.

• Neutrons: Situés dans le noyau, charge neutre.

• Électrons: En orbite autour du noyau, charge négative.

• Charges q : La charge d'un proton et celle d'un électron sont identiques en magnitude mais de signes opposés. ⏳

  • qproton= + e

  • qneutron = 0 (nulle)

  • qélectron = -e

Charge électron = charge proton en valeur absolue 💡

Isotopes, Ions et Abondance Isotopique

• Ions : Atome ayant gagné ou perdu un électron (= transfert d'électron), il est soit chargé positivement ou négativement ➡️ sans modification du numéro atomique Z.

  • cations : ions positifs (Na⁺, Ca²⁺…)

  • anions : ions négatifs (Cl⁻, O²⁻…)

Taille :

Anion (-) < atome neutre < cation (+)

• Na (Z = 11) → Na⁺ (Z = 11)

• Cl (Z = 17) → Cl⁻ (Z = 17)

Ils sont liés entres-eux par des liaisons ioniques 💡

• Élément chimique : correspond à un ensemble d’atomes ayant le même numéro atomique Z.

• Isotopes: Des atomes du même élément même Z, donc mêmes propriétés chimiques, mais ayant un nombre de masse (A) différent (donc un nombre de neutrons différent), ce qui leur confère des propriétés physiques différentes.

Exemple :

• C₆¹²

• C₆¹³

• C₆¹⁴

Moyen mnémotechnique : iZotope : Z identique, donc même nbre protons 💡

• Les propriétés chimiques d'un atome dépendent du nombre d'électrons, lui même déterminé par le nombre atomique"Z"

• Les propriétés physiques d'un atome dépendent de la masse du noyau, donc de "A " , plus précisément le nombre de neutrons "N"

Les électrons sont plus extérieurs et peuvent interagir avec ceux d’autres atomes. 💡

Ainsi deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques, mais des propriétés physiques différentes. 💡

Le macroscopique (ce qu’on manipule)

👉🏻 Désigne l’échelle des objets ou systèmes observables directement à l’œil nu, constitués d’un très grand nombre d’entités microscopiques.

Exemples :

• Eau, boue, Air

➡️ Ce sont des corps, des substances, des mélanges.

➡️ Observable & mesurable

ÉCHELLE :

Substance (pure)

→ ensemble d’un très grand nombre d’entités identiques

⬇️

Composant

→ une substance dans un mélange

⬇️

Corps

→ portion de matière observable (faite d’une ou plusieurs substances)

• Substance : Matière chimiquement définie, pouvant être pure ou impure selon le nombre d’espèces chimiques qu’elle contient.

• Composant : Un composant est une substance constituant un mélange. (uniquement dans le cadre d’un mélange).

Chaque composant est une substance à part entière

Un composant peut être :

-> Substance pure (le plus souvent)

ou plus rarement

-> Substance déjà impure

Exemple :

Air (mélange) :

• diazote (N₂) → composant

• dioxygène (O₂) → composant

• argon (Ar) → composant

• Un corps désigne une substance macroscopique, c’est-à-dire : un ensemble très grand d’entités observable à l'oeil nu. Exemple :

• Un verre d'eau = corps (contenant des millions de milliards de molécules H₂O)

• des molécules, atomes, ions

• des ions

Corps = tout ce que l'on peut voir, manipuler, mesurer 💡

Un corps peut être une :

• Substance pure : Matière constituée d’une seule espèce chimique, c-a-d d’un seul type d’entités microscopiques, quelle que soit sa nature (simple ou composée).

soit uniquement des :

• Atomes

• Molécules

• Ions

❌ Jamais atomes + molécules + ions ensemble 💡

Exemples :

• Eau pure → molécules H₂O uniquement

• Fer pur → atomes Fe uniquement

• NaCl solide → ions Na⁺ et Cl⁻ uniquement

• Substance impure (= un mélange) : Matière Contenant plusieurs substances, donc plusieurs espèces chimiques (donc plusieurs types d’entités microscopiques (molécule &/ou atomes &/ou ions)

Exemple de l’air :

• N₂ → molécules

• O₂ → molécules

• Ar → atomes

• Corps simple: Substance pure constituée d’un seul élément chimique = atomes ayant tous le même numéro atomique Z, soit d’atomes identiques ou d’un mélange d’isotopes.

La majorité des corps simples sont :

• Moléculaires : diatomiques ou polyatomiques, constitués d’un seul élément chimique. (liaisons covalentes) 💡

  • H₂, O₂, N₂

  • O₃, P₄, S₈

Mais certains sont :

• Monoatomique : Substance constituée d'un grand nombre d'atomes isolés les uns des autres & non liés chimiquement entre-eux 🙅🏻‍♂️ . 👉🏻 Cela correspond à l’état gazeux 💨. 💡

  Exemples :

  • He(g). (g) = état gazeux

  • Ne(g)

  • Ar(g)

• Atomique solide : Fe, Cu (liaisons métalliques) 💡

• Corps composé: Substance pure constituée d’au moins deux éléments chimiques différents, c-a-d d’atomes ayant des numéros atomiques Z différents, associés par des liaisons chimiques.

• Corps composée moléculaire : ⁉️

Exemple

• CO₂ → C + O

• C₆H₁₂O₆ → C + H + O

• Corps composée ioniques : Substance constituée d’ions de charges positifs et négatifs (cations + et anions -), formés à partir d’au moins deux éléments chimiques différents, et maintenus ensemble par des interactions électrostatiques (= attraction entre charges # = liaisons ionique)

Exemple :

• NaCl → Na⁺ + Cl⁻

• CaCO₃ → Ca²⁺ + CO₃²⁻

➡️ même s’il n’y a pas de “molécule” au sens strict,

➡️ ce sont quand même des corps composés 💡

"Molécule d'ions" ❌🙅🏻‍♂️

⚠️ Un corps simple ou un corps composée est forcément une substance pure.

On regarde la nature chimique d’une seule substance :

• nombre d’éléments chimiques

• pas la présence de plusieurs substances

Exemple substances impures :

• Air ➡️ Azote (N₂) + (O₂) + .....

• eau salée

`

🧩 Phrase mentale à garder

• Nucléons +électrons forment les atomes

• les atomes (entités) forment des substances

• Substances constituent des corps

• Éléments définissent l’identité des atomes (c'est juste un concept)

• Composants sont les substances d’un mélange.

• Élément naturel: Un mélange d'isotopes en différentes proportions. L'abondance isotopique est la proportion de chaque isotope dans un élément naturel.

• Masse atomique relative moyenne: Calculée en tenant compte de la proportion de chaque isotope.
  Exemple: L'azote naturel a une masse de .

La Mole et Masse Molaire

• Mole: Unité de quantité de matière. 1 mole contient le nombre d'Avogadro, particules/mol.

• Masse molaire (M): La masse d'une mole d'une substance (en g/mol). Pour un atome, elle correspond à son nombre de masse A exprimé en grammes, ou à la moyenne des masses atomiques des isotopes pondérées par leurs abondances respectives.

Modèle de Bohr pour l'Hydrogène

Le modèle de Bohr s'applique principalement à l'hydrogène et décrit les électrons sur des orbites circulaires avec des niveaux énergétiques quantifiés.

• Énergie des niveaux:

  • L'état fondamental () est le plus stable et a l'énergie la plus basse: .

• Changement d'énergie :
  , où est la vitesse de la lumière et est la constante de Planck.
  

  • Gain d'énergie: Absorption de rayonnement ().

  • Perte d'énergie: Émission de rayonnement ().

• Séries d'émission de l'hydrogène (sauts vers une couche plus basse):

  • Série de Lyman (): Rayonnement UV.

  • Série de Balmer (): Spectre visible.

  • Série de Paschen (): Rayonnement IR.

  Moyen mnémotechnique: La ( Lyman) Belle ( Balmer) Pass ( Paschen).

Mécanique Quantique et Orbitales Atomiques

• Principe d'Heisenberg: Il est impossible de connaître simultanément avec précision la position et la vitesse d'une particule ().

• Orbitales: Volumes dans l'espace où la probabilité de trouver un électron est élevée (calculée par l'équation de Schrödinger). Elles sont définies par trois nombres quantiques principaux.

• Nombres quantiques:

  1. Nombre quantique principal (n):

     • Définit la couche électronique et le niveau énergétique.

     • Valeurs possibles:

     • Nombre maximal d'électrons par couche: .

  2. Nombre quantique secondaire (l) (ou azimutal):

     • Définit la forme de l'orbitale.

     • Valeurs possibles: .

     • Correspondance avec les formes:

       • orbitale s (sphérique).

       • orbitale p (2 lobes opposés).

       • orbitale d.

       • orbitale f.

  3. Nombre quantique magnétique (m):

     • Définit l'orientation de l'orbitale atomique dans l'espace.

     • Valeurs possibles: .

  Exemple: Une orbitale est dans la 2^ème couche (), de forme "p" (), et orientée selon "x" ().

• Nombre quantique de spin (s):

  • Chaque orbitale (case quantique) peut contenir 2 électrons. Le spin différencie ces deux électrons.

  • Valeurs possibles: et .

La position d'un électron est définie par 4 nombres quantiques. Deux électrons ne peuvent jamais avoir les 4 nombres quantiques identiques.

Configuration Électronique et Tableau Périodique

• Règles d'écriture des configurations électroniques:

  1. Classer les couches par ordre croissant de n.

  2. Attention aux anomalies (Cr, Cu, Ag, Au...).

  3. Les ionisatons se font avec les électrons de la couche ayant le plus grand n.

  4. La couche de valence est la couche de plus grande valeur de n. Elle est impliquée dans les liaisons chimiques car elle est la plus accessible (la plus éloignée du noyau).

• Règle de Klechkowski: Pour des orbitales de plus grand n, les couches avec des valeurs de l plus faibles se remplissent avant celles avec des l plus élevées (à partir de d, et à partir de n = 3).
  Permet de déterminer l'ordre de remplissage des orbitales.
  Exemple pour le Sélénium (⁵⁴Se): . La couche de valence est .

• Tendances du tableau périodique:

  • Les atomes cherchent à obtenir la configuration électronique du gaz rare le plus proche (règle de l'octet).

  • Les métaux alcalins et alcalino-terreux forment des cations (perdent des électrons).

  • Les halogènes forment des anions (captent un électron).

  • Les métaux de transition ont un comportement plus complexe.

• Rayon covalent:
  Pour un même élément: Rayon du cation < Rayon de l'atome < Rayon de l'anion.

  • L'ajout d'un électron augmente le volume de l'atome, donc le rayon de l'anion est supérieur.

  • La perte d'un électron réduit le volume du nuage électronique, donc le rayon du cation est inférieur.

Moyens Mnémoniques pour les Périodes 2 et 3

• Période 2: Liliane Becta Bien Chez Notre Oncle Ferdinand Nestor.
  (Li, Be, B, C, N, O, F, Ne)

• Période 3: Napoléon Mangea Alaise Six Poulets Sans Claquer d'Argent.
  (Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, Ar)

Concepts Clés à Retenir

• La structure de l'atome (noyau, électrons, protons, neutrons).

• Les définitions de Z, A, isotopes, masse atomique et molaire.

• Le modèle de Bohr pour l'hydrogène et les séries d'émission.

• Les nombres quantiques et les propriétés des orbitales.

• Les règles de remplissage électronique (règle de Klechkowski, anomalies).

• La notion de couche de valence et les tendances du tableau périodique.