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Chimie générale – Atomistique (1)
CHIMIE
CHIMIE GÉNÉRALE GÉNÉRALE
Cours 1 – Atomistique : Structure de l’atome (1/2)
Pr François Maurel
Ce document est un support de cours datant de l’année 2014-2015 disponible sur www.tsp7.net 1
I. De la structure de la matière à la chimie nucléaire: les constituants élémentaires de
l’atome
A. Le noyau
B. Le nuage électronique
C. L’atome
D. Masse atomique
E. Éléments et corps
F. Nombre de masse
G. Isotopes
II. Introduction à la mécanique quantique
A. Dualité Onde-Corpuscule
B. L’équation de Schrödinger
C. La fonction d'onde
D. L'atome d'hydrogène en mécanique quantique
E. Les nombres quantiques
F. Représentation des orbitales atomiques
III. Structure électronique des atomes
A. L’état de l’atome
B. Les hydrogénoïdes
C. Les atomes polyélectroniques
D. Configuration électronique
E. Le tableau périodique des éléments

Chimie générale – Atomistique (1)
I. DE LA STRUCTURE DE LA MATIÈRE À LA CHIMIE
NUCLÉAIRE : LES CONSTITUANTS ÉLÉMENTAIRES DE
L’ATOME
La matière est de nature discontinue.
L'atome est composé d'un nuage électronique de 100 pm (c'est à
dire 10-10 m ou 1 Ångström) ainsi que d'un noyau de 10-3 pm (soit 10-15
m) qui correspond à la masse de l'atome.
A. Le noyau
Le noyau renferme deux types de particules massives (ou baryons) :
•Le proton qui a une charge de +1,60.10-19 C (coulombs) ce qui correspond à la charge élémentaire pour
une masse de 1,673.10-27 kg.
•Le neutron qui a, quant à lui, une charge nulle pour une masse de 1,675.10-27kg
On remarque donc que protons et neutrons ont une masse proche mais une charge totalement différente.
Le noyau a donc une charge positive. Les neutrons et les protons constituent les nucléons qui sont
maintenus ensemble par interaction forte.
B. Le nuage électronique
Il correspond à l'ensemble des électrons. Un électron a une charge de -1,60.10-19 C et une masse de
0,911.10-30kg (donc ordre de grandeur de 10^-31!) Il est donc 1800 fois moins lourd que le proton. Sa
charge est négative et juste opposée à celle du proton.
Un atome comporte autant d'électrons que de protons (sa charge globale est donc nulle) et l'univers
renferme exactement le même nombre de protons que d'électrons.
Les électrons occupent tout l'espace de la matière. Le noyau contient l'essentiel de la masse de l'atome.
C. L’atome
L’atome est constitué d’électrons et d’un noyau, comprenant des neutrons et des protons.
•On appelle nombre de masse A, le nombre total de nucléons (protons + neutrons). On en déduit
que le nombre de neutrons vaut donc A – Z.
•On appelle numéro atomique Z, ou nombre de charges, le nombre de protons que contient le
noyau. Dans un atome (qui est neutre, contrairement à l'ion), Z représente aussi le nombre
d’électrons. Ce nombre est très important car il caractérise un élément chimique.
On prend comme approximation qu'1 uma (unité de masse atomique) correspond à la masse du proton
et à celle du neutron (/!\ il s'agit d'une approximation).
Notation d’un nucléide :
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D. Masse atomique
Les masses s'expriment par le même nombre mais avec des unités différentes selon que l'on se trouve à
l'échelle des moles ou à l'échelle des particules. Pour les particules on utilise l'unité de masse atomique
(uma) alors qu'on utilise le gramme (g) pour les moles (ce qui donne des g.mol-1).
Exemple du Fer :
À l'échelle d'un atome 55,934942 ≤ 56 uma
À l'échelle d'une mole 55,934942 ≤ 56 g.mol-1
Pour 1H : 1,007825032 uma (≥1)
Pour 238U : 238,050783 uma (≥238)
On note pour le fer une masse plus petite que le nombre de masse, alors qu'elle est plus grande pour U et
H. Dans les deux cas, la masse atomique se rapproche fortement du nombre de masse noté A.
Définition de la masse atomique :
1uma=m C
12
12
Une mole d'atome de l'isotope de 12C vaut très précisément 12 g
La masse d'un atome de C est donnée par
mC=12
N
grammes avec N=6,025.1023 mol-1.
Donc
1uma=1
N
soit
1,66⋅10−24 g
.
Pour obtenir des valeurs plus précises, il faut savoir que le proton a une masse de 1,0073 uma, le neutron
de 1,0087 uma alors que l'électron a une masse plus faible (quasi-négligeable) qui est de 0,548.10-3 uma.
(Notez qu'en chimie, on utilise l'uma tandis qu'en biochimie et en biologie on parle plus souvent de Dalton;
il s'agit en fait de la même unité, mais avec deux noms différents.)
E. Éléments et corps
Les atomes peuvent perdre (ou gagner) un ou plusieurs électrons, pour donner des ions (H+, Na+, Mg2+,
S2-, Cl-, Al3+...)
Exemple : Na → Na+ + 1e-
Un élément est l’ensemble des atomes et des ions ayant le même numéro atomique
Z. Des atomes et des ions correspondent donc au même élément s’ils ont même Z, même
s’ils ont des nombres de masse A différents (ce sont alors des isotopes, voir ci-après).
On connaît tous les éléments pour lesquels Z ≤ 103. Les 92 premiers sont naturels (sauf pour Z = 43 et
61), les suivants sont les transuraniens, préparés artificiellement et sont de moins en moins stables à
mesure que Z augmente.
Les corps simples (atomes ou molécules) sont constitués d’un seul élément (Ne, Ar, O2, O3, Fe…) tandis
que les corps composés sont constitués par l’association de plusieurs éléments (CH4, NH3, C2H2…).
F. Nombre de masse: A = Z + N
Exemple du silicium:
Interprétons la notation ci-contre:
Nombre de masse, noté A = 28
Numéro atomique (nombre de charges), noté Z = 14
Nombre de neutrons, noté N = A-Z = 28-14 = 14
Le noyau contient donc 14 protons (correspondant au nombre de charges Z) + 14 neutrons (correspondant
au calcul A-Z).
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Si
14
28

Chimie générale – Atomistique (1)
Sachant qu'il s'agit d'un atome, neutre par définition, on en déduit que le nuage électronique contient 14
électrons pour compenser le nombre de charges Z.
G. Isotopes
Deux isotopes sont deux atomes qui ont une même valeur de Z (même numéro atomique = même nombre
de protons) mais un nombre de masse A différent.
Deux isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons N.
Ex :
C (Z=6) : 12C, 13C, 14C
O (Z=8) : 16O, 17O, 18O
En descendant et en allant vers la droite dans ce tableau, on trouve des atomes de plus en plus lourds, et
donc plus instables, plus radioactifs et plus souvent artificiels.
II. INTRODUCTION À LA MÉCANIQUE QUANTIQUE (PARTICULES
DE MASSES TRÈS PETITES)
A. Dualité Onde-Corpuscule
La lumière est à la fois caractérisée par une onde (électromagnétique) et par une particule (le photon).
Afin de résoudre les incohérences encore persistantes de la physique autour des rayonnements, le
physicien Max Planck développe en 1900 la théorie des quanta. Dans cette théorie l’énergie transportée
par le rayonnement est quantifiée. Chaque «grain» de rayonnement (ce qui sera identifié plus tard comme
étant le photon) possède le quantum d’énergie
E=hν
(qui correspond à la taille minimale d'un
«paquet» d'énergie, c'est à dire, l'énergie minimale transmissible entre le photon et la matière).
En 1924, Louis de Broglie émet l'hypothèse d'une dualité onde-corpuscule. Autrement dit, il affirme que
toute matière possède une onde associée (ce qui résoudra de nombreuses contradictions apparentes de la
physique de son époque). Cette dualité est exprimée par l'équation suivante sous le nom d'«onde de De
Broglie»
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Chimie générale – Atomistique (1)
ν (lettre grecque «n») = fréquence de rayonnement
v (lettre latine) = vitesse
m = masse
P = mv = description corpusculaire (c'est à dire
particulaire)
h = constante de Planck.
λ = description ondulatoire
Le double comportement du rayonnement est décrit dans l'équation selon les aspects suivants:
•Un rayonnement de longueur d’onde λ peut être décrit par des photons d’énergie E = h.ν et de
quantité de mouvement P = h/λ (aspect corpusculaire = mécanique).
•À toute particule de quantité de mouvement P est associée une onde (description ondulatoire) de
longueur d’onde
λ = h/P.
B. L’équation de Schrödinger
La mécanique tient compte de la dualité onde-corpuscule pour décrire la matière à l’échelle
microscopique. On ne peut pas décrire le mouvement des particules par des trajectoires comme en
mécanique classique, on décrit plutôt les portions de l’espace où les particules sont réparties. Par exemple,
dans le cas d’un électron, on dira qu’il se trouve dans une portion de l’espace dans laquelle l’onde qui lui
est associée est non nulle.
La particule quantique est décrite par une fonction d’onde, ψ (prononcée «psi»), qui représente la
répartition de cette particule dans l’espace. La fonction d’onde est solution de l’équation de Schrödinger.
Hψ=Eψ
Dans l'équation de Schrödinger, le H correspond à un opérateur dit «Hamiltonien», E correspond à
l'énergie de la particule et ψ désigne la fonction d'onde. Sa résolution analytique n'est possible que pour
les atomes hydrogénoïdes.
C. La fonction d'onde
La fonction d'onde est une fonction mathématique dont la valeur peut être grande
dans certaines régions, faible ou même nulle dans d’autres.
Elle contient toutes les informations sur la position et le mouvement de la particule
qu’elle décrit : plus elle varie d’un point à un autre, plus l’énergie cinétique associée à
la particule décrite est grande.
Si la fonction d’onde associée à une particule prend une valeur Ψ en un point donné
r, la probabilité de trouver cette particule au point r est proportionnelle à
∣ψ∣2dτ
où dτ correspond au volume élémentaire tel que
dτ =dx⋅dy⋅dz
.
On utilise cette formule car notre particule se trouve dans un espace en trois dimensions, mais on
pourrait la simplifier en n'utilisant que
∣ψ∣2dx
si besoin pour la compréhension.
D. L'atome d'hydrogène en mécanique quantique
La fonction d’onde Ψ de l'atome d'hydrogène décrit l'état de l'électron
(état fondamental ou état excité) et est liée au niveau d’énergie de celui-ci.
La fonction dépend uniquement de trois nombres quantiques: n, l et m (et
surtout pas du spin !). Les différentes fonctions d’onde possibles (selon les
valeurs de n, l et m) sont appelées des orbitales.
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λ=h
mv =h P