Fiche de cours 1 : Atomistique et liaison chimique – UE1 Chimie

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CPCM- UE1 FC1
UNIVERSITE DE PARIS
Année 2020-2021 – Patrick Razon
UE 1
CHIMIE
FICHE DE COURS 1 :
ATOMISTIQUE – LIAISON CHIMIQUE
1
CPCM – 106 Bd Saint Germain 75006 PARIS – Tel : [phone]
[email protected] / www.prepa-cpcm.com

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Atomistique – Liaison chimique 1
Table des matières
1. Généralité sur l’atome – Définition p.3
2. Structure électronique de l’atome : hydrogène et hydrogénoïdes p.4
2.1.Modèle de Bohr p.4
2.2.Modèle quantique p.4
2.3.Les nombres quantiques : signification de n, l, m p.5
2.4.Représentation des orbitales atomiques p.6
2.5.Caractérisation complète d’un électron p.6
3. La répartition des électrons dans les atomes poly-électroniques p.7
3.1.Principe d’exclusion de Pauli p.7
3.2.La règle de remplissage (Klechkowski) p.8
3.3.La règle de Hund p.8
3.4.Exemples d’application p.8
3.5.Electrons de valence p.9
3.6.Représentation de Lewis p.9
4. La classification périodique – Quelques propriétés des éléments chimiques p.10
4.1.Les principales familles d’éléments p.11
4.2.L’électronégativité des éléments p.11

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ATOMISTIQUE – LIAISON CHIMIQUE
1. Généralités sur l’atome et définitions
 L’atome est formé par un noyau, chargé positivement, autour duquel gravite un nuage d’électrons, chargés
négativement. Le noyau est composé de deux types de nucléons :
 Les protons, chargés positivement et qui donnent sa charge positive au noyau : +e = 1,602.10-19C
 Les neutrons, de charge électrique neutre.
 L’atome étant électriquement neutre, la charge d’un électron vaut : - e = -1,602.10-19C
 Une unité de masse atomique vaut : 1u.m.a = 1,66.10-24g = 1Da et correspond environ à la masse du proton
ou du neutron. La masse d’un électron vaut environ 5,5.10-4u.m.a
 La masse de l’atome est quasiment concentrée dans le noyau.
 Le diamètre du noyau est environ 10-5nm alors que le diamètre de l’atome est environ 0,1nm. Au final, le
volume de l’atome est environ 1012 fois celui du noyau. Ainsi, l’atome a une structure lacunaire (quasi
vide).
 Un nucléide X est une espèce atomique caractérisée par son nombre de protons noté Z et son nombre de
nucléons noté A. Le nombre Z correspond au numéro atomique de l’élément. Le nombre A correspond à
la masse atomique de l’élément. On note alors :
La différence A – Z correspond au nombre de neutrons
 Pour l’atome neutre (état fondamental) : Z = nombre de protons = nombre d’électrons
 La classification périodique des éléments chimiques (tableau de Mendeleïev) range les nucléides par numéro
atomique (Z) croissant
 Deux nucléides sont qualifiés d’isotopes quand ils possèdent le même nombre de protons mais diffèrent
par leur nombre de neutrons. Donc, deux nucléides isotopes occupent la même case du tableau de
classification périodique et possèderont les mêmes propriétés chimiques. Certains isotopes peuvent être
radioactifs (*).
 Exemples : 12C, 13C, 14C* 1H, 2D, 3T*, 16O, 18O*
 La masse molaire atomique M d’un nucléide est la masse d’une mole d’atomes de cet élément s’exprime en
g.mol-1 Elle correspond au nombre de masse A dans le tableau périodique des éléments.
 La mole représente une quantité de matière composées d’autant d’entités chimiques qu’il y a d’atomes dans
12 g de carbone 12, ce qui correspond au nombre d’Avogadro NA qui vaut 6,022.1023
 Les masses s’expriment par le même nombre :
 En u pour les particules
 En gramme pour les moles

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2. La structure électronique de l’atome : cas de l’hydrogène et des
hydrogénoïdes
2.1. Le modèle de Bohr
 La mécanique classique associée à la théorie des quanta est appliquée pour décrire le mouvement de
l’électron autour du noyau
 L’électron est assimilé à un point matériel décrivant une trajectoire circulaire autour du noyau
 L’électron peut occuper différents niveaux d’énergie En : chaque trajectoire est associée à un
niveau d’énergie
 L’énergie de l’électron est donc associée à une trajectoire circulaire plus ou moins proche du
noyau
 L’énergie de l’électron est négative (< 0)
 avec E1 = -13,6eV et n = nombre quantique principal caractéristique d’une
couche électronique
 E1 est l’énergie la plus basse. Elle est associée à la trajectoire la plus proche du noyau
2.2. Le modèle quantique
 A toute particule de masse m en mouvement, animée d’une vitesse v, est associée une onde  telle que :
Dans cette équation :
 La quantité de mouvement de la particule est p
 h est la constante de Planck : h = 6,64.10-34J.s
A l’échelle atomique, la dimension du système et sa longueur d’onde associée sont du même ordre de
grandeur.
Cela n’est plus le cas à l’échelle macroscopique : par exemple, un objet de 1kg à une vitesse de
2.2.106m.s-1 possède une longueur d’onde associée  = 3.10-28nm non observable.
La mécanique classique ne peut pas s’appliquer à l’échelle atomique.
 Principe d’incertitude de Heisenberg
x est l’incertitude sur la position et (mvx) est l’incertitude sur la vitesse.
A l’échelle atomique, la détermination précise, simultanée de la vitesse et de la position d’une particule est
impossible. Ainsi, on ne peut parler que de probabilité de présence de l’électron.
 L’équation de Schrödinger : c’est l’équation qui relie l’énergie d’un système à ses propriétés ondulatoires :
 H est l’opérateur hamiltonien
 E est l’énergie associée à 
  est la fonction d’onde stationnaire qui caractérise l’électron : elle est associée à une orbitale atomique de
l’électron
 Résolution = une infinité de solutions En, (n, l, m) n, l, m étant les nombres quantiques

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On retiendra les résultats suivant :
 La résolution de l’équation montre que  dépend de 3 nombres quantiques : n, l, m
 Ces 3 nombres quantiques ne peuvent pas prendre n’importe quelles valeurs.
 La fonction  n’a pas de sens physique : il faut considérer 2, qui représente la probabilité de
présence d’un électron dans un volume V.
 Une orbitale atomique est une représentation du volume V dans lequel il y a 95% de chance de
trouver un électron. On associe les changements de signe de  à cette représentation.
 Les orbitales atomiques existent en l’absence d’électron
 Pour l’atome d’hydrogène et les hydrogénoïdes, l’électron occupe un niveau d’énergie En tel que :
 Z étant le numéro atomique de l’élément considéré.
 Pour n = ∞, l’atome est ionisé
 La variation d’énergie E liée au passage d’un électron d’un niveau initial à un niveau final est :
c = célérité de la lumière dans le vide = 3.108m.s-1, = longueur d’onde en m et = fréquence en s-1
2.3. Les nombres quantiques n, l, m : signification
Nombre quantique
principal n
Nombre quantique secondaire l
Nombre quantique magnétique m
 n est un nombre entier positif,
non nul
 n définit la couche et le volume
des orbitales atomiques
 Il caractérise le numéro de la
couche : couche K n =1
couche L n = 2
couche M n = 3…
 A une couche n est associée une
énergie En qui augmente quand
n augmente
 Les valeurs de l dépendent de
n :       
 l définit une sous-couche :
l = 0 sous-couche s
l = 1 sous-couche p
l = 2 sous-couche d
l = 3 sous-couche f
 l définit la forme d’une orbitale
atomique
 A chaque sous-couche est
associée une énergie En,l qui
augmente quand l augmente
 Les valeurs de m dépendent de l
 m est un entier relatif tel que
 Pour une valeur de l, m peut
donc prendre 2l + 1 valeurs
 Le nombre de valeurs que m
peut prendre correspond au
nombre d’orbitale atomique qui
compose une sous-couche
 La valeur de m détermine
l’orientation de l’orbitale
atomique