CH1 structure electronique atome

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Cours CH1
Structure électronique des atomes
David Malka
MPSI – 2019-2020 – Lycée Jeanne d’Albret

MPSI – 2019-2020 – Lycée Jeanne d’Albret D.Malka CH1 – Structure électronique des atomes
Table des matières
1 L’atome et l’élément chimique 1
1.1 Les différents modèles de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Constitutiondel’atome ......................................... 1
1.3 L’élémentchimique............................................ 1
1.4 Masse molaire d’un élément chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.5 Unpeudevocabulaire.......................................... 2
2 Modèle en couches de l’atome 2
2.1 Orbitales atomiques : nombres quantiques n, l, ml........................... 2
2.1.1 Solutions de l’équation de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.2 Orbitalesatomiques ....................................... 2
2.2 Description d’un état électronique : nombres quantiques (n,l,ml,ms)............... 3
2.2.1 Le nombre quantique principal n................................ 3
2.2.2 Le nombre quantique secondaire l............................... 3
2.2.3 Le nombre quantique tertiaire ou magnétique ml....................... 4
2.2.4 Lespindel’électron ....................................... 4
2.2.5 Etat quantique d’un électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3 Configuration électronique d’un atome 4
3.1 RègledeHund .............................................. 5
3.2 RègledeKlechkowski .......................................... 5
3.3 Principed’exclusiondePauli ...................................... 5
3.4 Configuration électronique d’un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.4.1 Détermination de la configuration électronique d’un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.4.2 Electronsdevalence ....................................... 6
3.4.3 Electronsdecœur ........................................ 7
4 Configuration électronique d’un ion 7
4.1 Anion ................................................... 7
4.2 Cation................................................... 8
4.3 Stabilitéd’union............................................. 8
5 Absorption et émission de lumière par un atome 9
5.1 Etatexcitéd’unatome.......................................... 9
5.2 Absorption d’un photon par un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
5.3 Émission spontanée d’un photon par un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
6 La classification périodique 10
6.1 Construction ............................................... 10
6.2 Structure ................................................. 10
6.2.1 Périodes(lignes) ......................................... 10
6.2.2 Familles(colonnes)........................................ 11
6.2.3 Métauxetnonmétaux...................................... 11
7 Électronégativité d’un élément chimique 11
7.1 Importance de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
7.2 Électronégativité (χ)........................................... 12
7.3 Evolution dans la classification périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7.3.1 Mise en évidence expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7.3.2 Evolution dans la classification périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7.3.3 Electronégativité et propriétés redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
7.3.4 Interprétation de la classification périodique par la configuration électronique des atomes 13
Table des figures
1 Nombre quantique l........................................... 3
2 Niveaux d’énergie rangé par ordre croissant selon la règle de Klechkowski . . . . . . . . . . . . . 5
3 Saturation des sous-couches électroniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4 Excitationd’unatome.......................................... 9
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5 Désexcitationd’unatome ........................................ 10
6 Spectre d’émission de l’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
7 Famillesàconnaître ........................................... 11
8 Métauxetnonmétaux.......................................... 11
9 Evolution grossière de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
10 Périodicité de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Capacités exigibles
1. Utiliser un vocabulaire précis : élément, atome, corps simple, espèce chimique, entité chimique.
2. Déterminer la longueur d’onde d’une radiation émise ou absorbée à partir de la valeur de la transition
énergétique mise en jeu, et inversement.
3. Établir un diagramme qualitatif des niveaux d’énergie électroniques d’un atome donné.
4. Établir la configuration électronique d’un atome dans son état fondamental (la connaissance des excep-
tions à la règle de Klechkowski n’est pas exigible).
5. Déterminer le nombre d’électrons non appariés d’un atome dans son état fondamental.
6. Prévoir la formule des ions monoatomiques d’un élément.
7. Relier la position d’un élément dans le tableau périodique à la configuration électronique et au nombre
d’électrons de valence de l’atome correspondant.
8. Positionner un élément dans le tableau périodique et reconnaître les métaux et non métaux.
9. Situer dans le tableau les familles suivantes : métaux alcalins, halogènes et gaz nobles.
10. Citer les éléments des périodes 1 à 2 de la classification et de la colonne des halogènes (nom, symbole,
numéro atomique).
11. Mettre en œuvre des expériences illustrant le caractère oxydant ou réducteur de certains
corps simples.
12. Élaborer ou mettre en œuvre un protocole permettant de montrer qualitativement l’évo-
lution du caractère oxydant dans une colonne.
13. Relier le caractère oxydant ou réducteur d’un corps simple à l’électronégativité de l’élément.
14. Comparer l’électronégativité de deux éléments selon leur position dans le tableau périodique.

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1 L’atome et l’élément chimique
Connaître la constitution d’un atome et les ordres de grandeurs inhérents. Décrire la matière atomique
avec un vocabulaire appropriée.
Objectif(s)
1.1 Les différents modèles de l’atome
https://vimeo.com/davidmalka/ch11
Les modèles de l’atome
1.2 Constitution de l’atome
L’atome est constitué d’un noyau et de son cortège électronique. Il est globalement neutre.
Le noyau comprend Anucléons : Zprotons + Nneutrons. On note : A
ZXN.
Aest appelé nombre de masse, Zest appelé numéro atomique.
Exemple : Le carbone 12 contient 6 protons et 6 neutrons. On le note 12
6C6ou plus simplement 12C.
L’atome est électriquement neutre : il contient donc autant d’électrons que de protons.
atome noyau proton neutron électron
diamètre ∼1×10−10 m∼1×10−14 m∼1×10−15 m∼1×10−15 m−
masse ∼10 g ·mol−1∼10 g ·mol−11,66 ×10−27 kg 1,66 ×10−27 kg 9,1 ×10−31 kg
charge 0Ze e 0−e
Charge élémentaire : e=1,6 ×10−19 C.
Ordre de grandeur
1.3 L’élément chimique
Un élément chimique est défini par son numéro atomique.
L’élément chimique
Exemple : l’ion cuivre(II) Cu2+et l’atome de cuivre Cu sont deux espèces chimiques correspondant à
l’élément cuivre.
Deux atomes peuvent différer par le nombre de nucléons du noyau, c’est-à-dire par leur nombre de masse :
on les appelle isotopes.
Exemple : 238
92 Uet 235 92 Usont deux isotopes de l’élément uranium U.
Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques.
Conservation des éléments chimiques
1.4 Masse molaire d’un élément chimique
La masse molaire atomique Md’un élément chimique est la masse d’une mole1de cet élément chimique pris
dans son état atomique.
Masse molaire
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A l’état naturel, les éléments existent sous différentes formes isotopiques. Pour calculer la masse molaire
naturelle d’un élément, il faut calculer la moyenne des masses relatives à chaque isotope pondérée par leur
abondance naturelle.
1.5 Un peu de vocabulaire
Entités chimiques : les atomes, les ions, les molécules sont des entités chimiques.
Élément chimique : regroupe l’ensemble des entités chimiques caractérisées par le même nombre Zde
protons dans leurs noyaux respectifs.
Espèce chimique : une espèce chimique est un ensemble d’entités chimiques identiques.
Corps simple/ corps composé : un corps simple est une entité constitué d’atomes d’un même élément
(ex : H2), par opposition à un corps composé, constitué d’atomes de plusieurs éléments (ex : CO2).
2 Modèle en couches de l’atome
Savoir qu’une orbitale atomique peut-être caractérisée par un triplet de nombre entiers (n,l,ml). Savoir
que l’état électronique d’un électrons peuplant une orbitale est définit par les quatre nombres quantiques
(n,l,ml,ms). Connaître les dénominations et les valeurs autorisées pour ces nombres.
Objectif(s)
2.1 Orbitales atomiques : nombres quantiques n,l,ml
2.1.1 Solutions de l’équation de Schrödinger
En 1926, Schrödinger propose que l’état de l’électron d’un atome est décrit par une fonction d’onde ψ
vérifiant l’équation de Schrödinger.
i¯h∂ψ
∂t =Hψ
avec Hest l’opérateur énergie, appelé hamiltonien du système.
2.1.2 Orbitales atomiques
On montre que l’état d’un électron atomique est peut-être décrit par une fonction de la forme :
ψn,l,ml(r,θ,φ) = Rn,l(r)ϕl,ml(θ,φ)
avec r,θet φles coordonnées sphériques repérant la position d’un point de l’espace. Les nombres n,let m
sont des entiers dont seules certaines valeurs sont autorisées. Ceci est discuté par la suite.
Le module au carré de la fonction d’onde |ψn,l,ml(r,θ,φ)|2représente la densité de probabilité de trouver
l’électron au point de l’espace de coordonnées (r,θ,φ). Contrairement à la description classique, l’électron n’est
plus localisé dans l’espace! Il n’a plus d’orbite définie. On parle d’orbitales atomiques. On distingue la partie
radiale Rn,l(r)qui traduit la densité de probabilité de trouver l’électron à une distance rdu noyau et la partie
angulaire φl,ml(θ,φ)qui traduit la densité de probabilité de trouver l’électron dans la direction (θ,ϕ) de l’espace.
https://vimeo.com/davidmalka/ch12
La notion d’orbitale atomique* (facultative)
On retiendra qu’il suffit de connaître les nombres quantiques (n,l,ml)pour décrire la fonction d’onde
d’espace ψn,l,mld’un électron c’est-à-dire son orbitale atomique.
Caractérisation d’une orbitale
1. 1mole contient NA≈6, 02.1023 entités. NAest appelé Nombre d’Avogadro.
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