Atomistique paces

UE1 Chimie FC1 Atomistique
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Paris 13
UE1 : CHIMIE
FICHE DE COURS N°1 : ATOMISTIQUE
(Thématique abordée en séances : 1 et 2)
 Notion tombée 1 fois au concours
 Notion tombée 2 fois au concours
 Notion tombée 3 fois ou plus au concours
Nouveauté au programme cette année
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1ère partie : structure atomique
I. Constituants de l’atome
1. Constituants de l’atome
a. Nucléide
Nucléide
noyau atomique qui contient les nucléons  (= protons + neutrons) 
Symbole
X
A
Z
X
A
Z
N = A – Z 
Elément
chimique
Nombre de masse
Numéro atomique
-
Nombre de
nucléons
Nombre
de protons 
Nombre
de neutrons
b. Atome
Atome
nucléide autour duquel gravitent des électrons.
Pour un atome neutre
Z = nombre de protons = nombre d’électrons 
Dimension de l’atome
Dimension du noyau
de l’ordre de 10-10 m  = 1 Å
de l’ordre de 10-15 m (= 1 fermi)
Les particules sont dites élémentaires lorsqu’elles ne résultent pas de l’interaction d’autres particules
plus petites. Les électrons sont des particules élémentaires contrairement à l’atome, aux protons et
aux neutrons.
masse (kg)
masse
(u.m.a)
Charge
(Coulomb)
Charge
(unité de charge
électronique)
rayon
Electron
0,91.10-30
0,005
- 1,6.10-19
-1
2,818.10-15 m
Proton
1,672.10-27
1
+1,6.10-19
+1
Neutron
1,675.10-27
1
0
0
2. Les isotopes
Isotopes
Atomes d’un même élément avec le même nombre de protons et un nombre
de neutrons différents  (donc de nucléons différent).
 même Z mais A (donc N) .
Masse atomique
d’un élément
Moyenne des masses atomiques de ses isotopes naturels en u.m.a ou en g.
La masse d’un électron étant très inférieure à la masse d’un proton et d’un
neutron , la majorité de la masse de l’atome (99,9%) est concentrée
essentiellement dans le noyau .
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2. Définitions
Mole
Quantité de matière d’un système contenant autant de particules
individuelles (atomes, molécules ou ions) qu’il y a d’atomes dans 12
g de carbone
C
12
6
Nombre d’Avogadro
(ou constante d’Avogadro)
NA =6,022.1023 mol-1
Nombre d’entités qui se trouvent dans une mole.
Il correspond au nombre d’atomes de carbone dans 12 g de
l’isotope 12 du carbone.
Masse molaire
Unité : g.mol-1
Masse d’une mole de substance.
Unité de masse atomique
(u.m.a.)
Correspond à 1/12 de la masse d’un atome
C
12
6
Conversion : 1 u.m.a = (1/ NA) = -1,67.10-27 kg
II. Structure de l’atome : modèles atomiques
1. Historique
Modèle de Thomson
Les électrons (découvert en 1897), particules localisées, baignaient
dans une « soupe » positive.
Modèle invalidé en 1911 par Rutherford
Perrin-Rutherford (1911)
Modèle planétaire : l’atome est constitué d’un noyau positif autour
duquel tournent des électrons négatifs. Entre le noyau et ses
électrons un très grand vide existe.
Ce modèle est mis à défaut par les équations de Maxwell et des
expériences montrant la quantification des niveaux d’énergie.
Bohr (1913)
L’électron se déplace sur des orbites privilégiées centrées sur le
noyau, avec une valeur déterminée d’énergie.
N’explique pas l’effet Zeeman.
2. Structure de l’atome d’après la mécanique ondulatoire
A partir de 1930, l’électron est modélisé par une fonction d’onde : . Les électrons ne sont plus des
« billes » localisées en orbite, mais des nuages de probabilité de présence.
││représente la densité de probabilité de présence de l’électron.
3. Fonction d’onde
La fonction d’onde (ou onde électromagnétique) représente le volume dans lequel la probabilité de
présence de l’électron est ≥ 95%.
Les fonctions d’ondes (aussi appelées orbitales atomiques) dépendent de 3 nombres
entiers appelés nombres quantiques : n, ℓ et mℓ.
La fonction d’onde associée à ces 3 nombres quantiques est notée : n,ℓ,mℓ
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4. Les nombres quantiques n, ℓ, mℓ
n
nombre quantique principal
entier n ≥ 1
définit la couche
détermine la taille de l’orbitale
Plus n est grand et plus le diamètre de
l’orbitale est grand.
Le triplet (n,ℓ,mℓ) définit une orbitale (aussi appelée case quantique). Les orbitales d’une même
sous-couche sont dites dégénérées (elles ont la même énergie).
Nom d’une orbitale atomique : n + lettre associée à la valeur de l .
5. Le nombre quantique de spin s
s
nombre quantique de spin
s = +
2
1
ou s = -
2
1
Le quadruplet (n,ℓ,mℓ,s) décrit un électron.
III. Configuration électronique des atomes à l’état fondamental
1. Règles de remplissage
 Principe d'exclusion de Pauli : deux électrons d’un même atome ne peuvent pas avoir leurs
quatre nombres quantiques identiques.
n
1
2
3
4
5
Nom de la
couche
K
L
M
N
O
ℓ
nombre quantique secondaire ou
azimutal
entier 0  ℓ  n-1 
définit la sous-couche 
détermine la forme de l’orbitale
ℓ
0
1
2
3
4
5
6
Nom de la
sous-couche
s
p
d
f
g
h
i
mℓ ou m 
nombre quantique magnétique
entier -ℓ  mℓ  ℓ
détermine l’orientation de l’orbitale
sous-couche
s
p
d
f
nombre d’OA
1
3
5
7 
Une orbitale atomique peut
contenir au maximum deux
électrons.
Deux électrons dans une même
orbitale ont le même n, ℓ, mℓ mais un
spin différent (s=1/2 et s = -1/2). Ils
sont antiparallèles (=appariés).
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