Revision sheet: Atomistique et thermodynamique

📋 Plan du Cours

1. Structure et représentation de l’atome
2. Nucléides, ions et isotopes
3. Modèle quantique et orbitales
4. Configuration électronique des atomes
5. Configuration électronique des ions
6. Organisation de la classification périodique
7. Familles et propriétés périodiques
8. Enthalpie et bilans énergétiques
9. Entropie et enthalpie libre

📖 1. Structure et représentation de l’atome

🔑 Notions clés & Définitions

• Atome : Entité électriquement neutre constituée d’un noyau et d’un environnement proche contenant des électrons.

📝 Points essentiels

• Thomson a montré la présence des électrons, Rutherford celle des protons et a proposé un modèle planétaire, puis Bohr et Schrödinger ont établi les modèles modernes de l’atome.

💡 Astuce mémo

Aristote → Thomson → Rutherford → Bohr et Schrödinger

📖 2. Nucléides, ions et isotopes

🔑 Notions clés & Définitions

• Numéro atomique : Correspond au nombre de protons du noyau et détermine l’élément chimique.
• Nombre de masse : Correspond au nombre total de nucléons, c’est-à-dire la somme des protons et des neutrons.
• Isotopes : Possèdent le même nombre de protons Z mais des nombres de neutrons différents et donc des nombres de masse A différents.

★ À maîtriser

📌 Un cation résulte d’une perte d’électrons, tandis qu’un anion résulte d’un gain d’électrons ; le numéro atomique Z ne change pas lors de l’ionisation.

Compléments

• Pour le sodium ²³Na de numéro atomique Z = 11, le noyau contient 11 protons et 12 neutrons, et l’atome neutre possède 11 électrons.

📐 Formule — La masse molaire moléculaire est la somme des masses molaires des éléments constituants ; pour le dioxyde de carbone, $M(\mathrm{CO_2})=12+2\times16=44\ \mathrm{g\cdot mol^{-1}}$.

💡 Astuce mémo

Cation = perte d’électrons ; anion = gain d’électrons

📖 3. Modèle quantique et orbitales

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbitale atomique : Fonction d’onde qui donne la probabilité de présence d’un électron dans une région de l’espace, mais pas sa position exacte.
• Nombre quantique principal : Entier positif non nul qui quantifie l’énergie de l’électron et définit sa couche électronique.

★ À maîtriser

• La résolution de l’équation de Schrödinger ne donne accès qu’à des valeurs particulières et quantifiées de l’énergie, appelées énergies propres.

📌 Le nombre quantique secondaire ℓ vérifie 0 ≤ ℓ ≤ n − 1 et indique la forme de l’orbitale atomique.

📌 Le nombre quantique magnétique mℓ vérifie −ℓ ≤ mℓ ≤ +ℓ, possède 2ℓ + 1 valeurs et indique l’orientation de l’orbitale dans l’espace.

Compléments

• Les sous-couches s, p, d et f comportent respectivement 1, 3, 5 et 7 orbitales atomiques.

💡 Astuce mémo

Les orbitales forment des nuages de probabilité autour du noyau

📖 4. Configuration électronique des atomes

🔑 Notions clés & Définitions

• Électrons de valence : Électrons de la couche électronique la plus externe des éléments des blocs s et p.

★ À maîtriser

📌 Selon la règle de Klechkowski, les sous-couches se remplissent par ordre croissant de n + ℓ ; en cas d’égalité, la sous-couche de plus petit n se remplit en premier.

📌 Le principe d’exclusion de Pauli interdit à deux électrons d’un même atome d’avoir quatre nombres quantiques identiques.

📌 La règle de Hund impose que, dans des orbitales dégénérées, les électrons occupent d’abord séparément les orbitales avec un maximum de spins parallèles.

Compléments

📌 Une orbitale atomique donnée ne peut contenir que deux électrons, qui possèdent alors des spins antiparallèles ms = +½ et ms = −½.

💡 Astuce mémo

Klechkowski → Pauli → Hund

📖 5. Configuration électronique des ions

★ À maîtriser

• Pour établir la configuration électronique d’un cation, on écrit d’abord celle de l’atome neutre puis on retire les électrons les plus externes, c’est-à-dire ceux de nombre quantique principal n maximal.

Compléments

• Pour établir la configuration électronique d’un anion, on écrit d’abord celle de l’atome neutre puis on ajoute les électrons dans les orbitales atomiques les plus externes.

• Pour former Fe³⁺ à partir de Fe, trois électrons sont retirés et la configuration obtenue est 1s² 2s²2p⁶ 3s²3p⁶3d⁵.

💡 Astuce mémo

Les cations perdent d’abord les électrons de n maximal ; les anions complètent les OA externes

📖 6. Organisation de la classification périodique

🔑 Notions clés & Définitions

• Blocs périodiques : Régions de la classification périodique où les orbitales s, p, d ou f sont en cours de remplissage.

📝 Points essentiels

• La classification périodique moderne classe les éléments chimiques par numéro atomique Z croissant et comporte 18 colonnes appelées familles ainsi que 7 lignes appelées périodes.

📌 Les éléments d’une même période possèdent la même valeur du nombre quantique principal maximal n, tandis que Z augmente de gauche à droite dans la période.

📖 7. Familles et propriétés périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Élément de transition : Possède une sous-couche d incomplète ou peut former des cations ayant une sous-couche d incomplète.
• Électronégativité : Tendance d’un atome à attirer vers lui les électrons d’une liaison ; elle augmente de gauche à droite et de bas en haut, le fluor étant l’atome le plus électronégatif.
• Première énergie d’ionisation : Énergie minimale nécessaire pour arracher un électron à un atome gazeux ; elle est positive et augmente de gauche à droite et de bas en haut.

★ À maîtriser

• Les métaux alcalins de la colonne 1 forment des cations monovalents, tandis que les alcalino-terreux de la colonne 2 forment des cations bivalents.

• Les halogènes de la colonne 17 possèdent une configuration externe ns²np⁵ et forment des anions halogénures, tandis que les gaz nobles de la colonne 18 possèdent une couche externe complète.

📌 L’énergie d’attachement électronique Eatt est l’énergie libérée lors de la capture d’un électron par un atome gazeux, tandis que l’affinité électronique EAE correspond à la réaction inverse et vérifie EAE = −Eatt.

Compléments

• Les métaux sont généralement situés à gauche, au centre et dans une partie du bloc p ; ils sont solides à 25 °C sauf le mercure et conduisent bien la chaleur et l’électricité.

💡 Astuce mémo

Rayon atomique augmente vers bas-gauche ; électronégativité et ionisation vers haut-droite

📖 8. Enthalpie et bilans énergétiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Enthalpie de formation : Chaleur échangée à pression constante P° = 1 bar lors de la formation d’une mole d’un composé à partir de corps purs simples dans leur état le plus stable, généralement à 298 K.
• Enthalpie de dissociation : Énergie positive nécessaire pour rompre cette liaison en atomes gazeux A et B.

📝 Points essentiels

📌 Un système ouvert échange de l’énergie et de la matière, un système fermé échange de l’énergie mais pas de matière, et un système isolé n’échange ni énergie ni matière.

📌 L’énergie reçue par un système est comptée positivement et correspond à une réaction endothermique, tandis que l’énergie cédée au milieu extérieur est négative et correspond à une réaction exothermique.

📌 L’enthalpie standard de formation d’un corps pur simple dans son état standard vaut zéro à 25 °C.

📐 Formule — La loi de Hess donne $\Delta_rH^\circ=\sum_i n_i\Delta_fH^\circ(\mathrm{produits})-\sum_j n_j\Delta_fH^\circ(\mathrm{réactifs})$.

💡 Astuce mémo

Rupture de liaison → énergie absorbée ; formation de liaison → énergie libérée

📖 9. Entropie et enthalpie libre

🔑 Notions clés & Définitions

• Entropie : Mesure l’ordre ou le désordre d’un système, et ΔrS° représente sa variation au cours d’une réaction.

★ À maîtriser

📐 Formule — La variation d’enthalpie libre standard est donnée par $\Delta_rG^\circ=\Delta_rH^\circ-T\Delta_rS^\circ$, avec ΔrH° en kJ·mol⁻¹, ΔrS° en J·K⁻¹·mol⁻¹ et T en kelvins.

📌 Une réaction telle que ΔrG° < 0 est exergonique et spontanée, tandis qu’une réaction telle que ΔrG° > 0 est endergonique et non spontanée.

Compléments

📐 Formule — La variation d’entropie standard suit la loi de Hess : $\Delta_rS^\circ=\sum_i n_i\Delta S_i^\circ(\mathrm{produits})-\sum_j n_j\Delta S_j^\circ(\mathrm{réactifs})$.

💡 Astuce mémo

ΔrG° < 0 → réaction exergonique et spontanée

📊 Tableaux de synthèse

Tendances périodiques

Propriété	Variation	Valeur ou élément remarquable
Rayon atomique	Augmente vers le bas et la gauche	—
Électronégativité	Augmente vers le haut et la droite	Fluor maximal
Première énergie d’ionisation	Augmente vers le haut et la droite	EI₁ > 0