Cours CH1 Structure électronique des atomes - mpsi-lycee

Cours CH1
Structure électronique des atomes
David Malka
MPSI – 2015-2016 – Lycée Saint-Exupéry
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MPSI – 2015-2016 – Lycée Saint-Exupéry D.Malka CH1 – Structure électronique des atomes
Table des matières
1 L’atome et l’élément chimique 1
1.1 Constitutiondel’atome ......................................... 1
1.2 L’élémentchimique............................................ 1
1.3 Masse molaire d’un élément chimique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.4 Unpeudevocabulaire.......................................... 1
2 Structure électronique d’un atome 2
2.1 Orbitales atomiques : nombres quantiques n, l, ml........................... 2
2.1.1 Solutions de l’équations de Schrödinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.2 Orbitalesatomiques ....................................... 2
2.1.3 Densité de probabilité de présence radiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1.4 Densité de probabilité de présence angulaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Description d’un état électronique : nombres quantiques (n,l,ml,ms)............... 2
2.2.1 Le nombre quantique principale n............................... 2
2.2.2 Le nombre quantique secondaire l............................... 11
2.2.3 Le nombre quantique tertiaire ou magnétique ml....................... 11
2.2.4 Lespindel’électron ....................................... 11
2.2.5 Etat quantique d’un électron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 Remplissage des orbitales 12
3.1 Principed’exclusiondePauli ...................................... 12
3.2 RègledeKlechkowski .......................................... 12
3.3 RègledeHund .............................................. 12
3.4 Configuration électronique d’un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.4.1 Exemples ............................................. 13
3.4.2 Electronsdevalence ....................................... 13
3.4.3 Electronsdecoeur ........................................ 13
3.4.4 Casdesions............................................ 13
3.5 Absorption et émission de lumière par un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5.1 Absorption d’un photon par un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.5.2 Emission spontanée d’un photon par un atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4 La classification périodique 15
4.1 Construction ............................................... 15
4.2 Structure ................................................. 15
4.2.1 Périodes(lignes) ......................................... 15
4.2.2 Familles(colonnes)........................................ 16
4.2.3 Métauxetnonmétaux...................................... 16
5 Electronégativité d’un élément chimique 16
5.1 Importance de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.2 Electronégativité (χ)........................................... 17
5.3 Evolution dans la classification périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.1 Mise en évidence expérimentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.2 Evolution dans la classification périodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.3 Electronégativité et propriétés redox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
5.3.4 Interprétation de la classification périodique par la structure électronique des atomes . . . 18
Table des figures
1 Dimensions caractéristiques du noyau et de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Constituants élémentaires de l’atome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
3 Fonction r2R1,0(r)............................................ 3
4 Fonction r2R2,0(r)............................................ 3
5 Fonction r2R2,1(r)............................................ 4
6 Fonction r2R3,0(r)............................................ 4
7 Fonction r2R3,1(r)............................................ 5
8 Fonction r2R3,2(r)............................................ 5
9 Orbitale s................................................. 6
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(a) Vision3D.............................................. 6
(b) Coupe2D.............................................. 6
10 Orbitale px ................................................ 6
(a) Vision3D.............................................. 6
(b) Coupe2D.............................................. 6
11 Orbitale py ................................................ 7
(a) Vision3D.............................................. 7
(b) Coupe2D.............................................. 7
12 Orbitale px ................................................ 7
(a) Vision3D.............................................. 7
(b) Coupe2D.............................................. 7
13 Orbitale pz ................................................ 8
(a) Vision3D.............................................. 8
(b) Coupe2D.............................................. 8
14 Orbitale dz2 ................................................ 8
(a) Vision3D.............................................. 8
(b) Coupe2D.............................................. 8
15 Orbitale dxy ................................................ 9
(a) Vision3D.............................................. 9
(b) Coupe2D.............................................. 9
16 Orbitale dxz ................................................ 9
(a) Vision3D.............................................. 9
(b) Coupe2D.............................................. 9
17 Orbitale dyz ................................................ 10
(a) Vision3D.............................................. 10
(b) Coupe2D.............................................. 10
18 Orbitale dx2-y2 .............................................. 10
(a) Vision3D.............................................. 10
(b) Coupe2D.............................................. 10
19 Niveaux d’énergie rangé par ordre croissant selon la règle de Klechkowski . . . . . . . . . . . . . 12
20 Excitationd’unatome .......................................... 14
21 Désexcitationd’unatome ........................................ 15
22 Spectre d’émission de l’hydrogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
23 Famillesàconnaître ........................................... 16
24 Métauxetnonmétaux.......................................... 16
25 Evolution grossière de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
26 Périodicité de l’électronégativité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Capacités exigibles
1. 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.
2. Positionner dans le tableau périodique et reconnaître les métaux et non métaux.
3. Situer dans le tableau les familles suivantes : métaux alcalins, halogènes et gaz nobles.
4. Citer les éléments des périodes 1 à 2 de la classification et de la colonne des halogènes (nom, symbole,
numéro atomique).
5. Mettre en oeuvre des expériences illustrant le caractère oxydant ou réducteur de certains
corps simples.
6. Élaborer ou mettre en oeuvre un protocole permettant de montrer qualitativement l’évo-
lution du caractère oxydant dans une colonne.
7. Relier le caractère oxydant ou réducteur d’un corps simple à l’électronégativité de l’élément.
8. Comparer l’électronégativité de deux éléments selon leur position dans le tableau périodique.

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1 L’atome et l’élément chimique
1.1 Constitution de l’atome
L’atome est constitué d’un noyau et de son cortège électronique. Il est globalement neutre.
Le noyau comprend A(nombre de masse) nucléons : Z(numéro atomique) protons + Nneutrons.
atome noyau
10−10 m10−15 m
Figure 1 – Dimensions caractéristiques du noyau et de l’atome
proton neutron électron
charge (C) +e0−e
masse (kg) 1,67.10−27 1,67.10−27 9,0.10−31
Figure 2 – Constituants élémentaires de l’atome
Charge élémentaire : e= 1,6.10−19 C.
1.2 L’élément chimique
L’élément chimique
Un élément chimique est défini par son numéro atomique.
Deux atomes peuvent différer par le nombre de nucléons du noyau. On appelle isotope les noyaux ne différant
que par leurs nombres de masse.
æexemple : 238
92 Uet 235 92 Usont deux isotopes de l’élément uranium U.
Conservation des éléments chimiques
Au cours d’une transformation chimique, il y a conservation des éléments chimiques.
1.3 Masse molaire d’un élément chimique
Masse molaire
La masse molaire atomique Md’un élément chimique est la masse d’une mole1de cet élément chimique pris
dans son état atomique.
à l’état naturel, les éléments existent sous différentes formes isotopiques. Pour calculer la masse naturelle,
il faut faire une moyenne pondérée par l’abondance naturelle de chaque isotope.
1.4 Un peu de vocabulaire
Entités chimiques : les atomes, les ions, les molécules sont des entités chimiques.
Elément chimique : regroupe l’ensembles des entités chimiques caractérisées par le même nombre Zde pro-
tons dans leurs noyaux.
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).
1. 1mole contient NA≈6,02.1023 entités.
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MPSI – 2015-2016 – Lycée Saint-Exupéry D.Malka CH1 – Structure électronique des atomes
2 Structure électronique d’un atome
2.1 Orbitales atomiques : nombres quantiques n, l, ml
2.1.1 Solutions de l’équations 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.
Hψ =Eψ
avec Hest l’opérateur énergie, appelé hamiltonien du système, et Eles énergies propres du système.
2.1.2 Orbitales atomiques
On montre que les différents états que peut avoir un électron d’écrivent sous 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.
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 mécanique 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 probabilité de trouver l’électron à une distance rdu noyau et la partie angulaire
φl,ml(θ, φ)qui traduit la probabilité de trouver l’électron dans la direction (θ,φ) de l’espace.
On retiendra qu’il suffit de connaître les nombres quantiques (n, l, ml)pour décrire la fonction
d’espace ψn,l,mlc’est-à-dire son orbital atomique.
2.1.3 Densité de probabilité de présence radiale
BCe paragraphe est uniquement pour votre culture.
Elle donne la taille de l’orbitale atomique. Plus nest grand plus l’orbitale est volumineuse (rayon le plus
probable).
2.1.4 Densité de probabilité de présence angulaire
BCe paragraphe est uniquement pour votre culture.
Elle donne la forme et la direction de l’orbitale. On représente la fonction ρ(θ, φ) = φl,ml(θ, φ). Plus le rayon
ρest grand, plus il est probable de trouver l’électron dans cette direction.
2.2 Description d’un état électronique : nombres quantiques (n,l,ml,ms)
2.2.1 Le nombre quantique principale n
C’est l’entier qui définit en priorité l’énergie. Plus nest élevé plus l’énergie de l’électron occupant l’orbitale
est élevée. C’est le nombre ndu modèle de Bohr.
n≥1, n ∈N
Couche électronique n
Le nombre quantique principal ndéfinit une couche électronique de l’atome.
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