TD 2 - Structure atomique et éléments chimiques

Introduction

La structure atomique est la base de la chimie et de la physique. Elle explique la composition fondamentale de la matière et sert à comprendre les propriétés des éléments chimiques. Dans ce TD, nous allons explorer la nature des atomes, leur organisation interne, et comment cette structure conditionne les caractéristiques des éléments.

1. L’atome : définition et composition

Atome : La plus petite unité constitutive de la matière, indivisible par des moyens chimiques, composée d’un noyau chargé positivement autour duquel gravitent des électrons.

Un atome se compose de deux parties principales :

• Le noyau : constitué de protons (charge positive) et de neutrons (charge neutre).
• Le cortège électronique : une "nuée" d’électrons (charge négative) qui orbitent autour du noyau.

Propriétés des particules subatomiques

2. Numéros caractéristiques d’un atome

Chaque atome est caractérisé par deux nombres entiers fondamentaux :

• Numéro atomique (Z) : nombre de protons dans le noyau. Il définit l’élément chimique.
• Nombre de masse (A) : somme du nombre de protons et de neutrons dans le noyau.

Ces deux paramètres permettent d’écrire la notation nucléaire d’un atome :

[ ^{A}_{Z}X ]

où (X) est le symbole chimique de l’élément.

Exemple : Le carbone a un numéro atomique (Z=6) et le plus courant isotope a (A=12). Sa notation est ({^{12}_{6}C}).

3. Isotopes et isotones

• Isotopes : Atomes ayant le même numéro atomique (Z) (même élément) mais des nombres de masse (A) différents, c’est-à-dire un nombre différent de neutrons.

• Isotones : Atomes différents ayant le même nombre de neutrons mais des numéros atomiques différents.

Ces concepts permettent de comprendre la diversité des atomes d’un même élément et leur stabilité.

4. Organisation électronique : couches et niveaux d’énergie

Les électrons autour du noyau ne sont pas répartis au hasard. Ils occupent des couches électroniques, elles-mêmes subdivisées en sous-couches et orbitales définies par des règles quantiques.

Couche électronique

• Chaque couche est notée par un nombre quantique principal (n) (1, 2, 3, ...), indiquant l’énergie et la distance moyenne à laquelle l’électron orbite autour du noyau.
• La capacité maximale d’une couche est donnée par la formule (2n^2).

5. Configuration électronique

La configuration électronique décrit la répartition des électrons dans les différentes couches et sous-couches.

Règle de base : Les électrons s’installent d’abord dans les couches de plus faible énergie (plus proches du noyau).

Exemple pour le sodium (Na, Z=11) :

• Configuration électronique : (1s^2 2s^2 2p^6 3s^1).
• Cela signifie que les 11 électrons occupent :
  • La couche 1 (2 électrons)
  • La couche 2 (8 électrons)
  • La couche 3 (1 électron)

[Diagramme]

Ce diagramme montre la décomposition simple de l’atome en ses éléments structuraux.

6. Éléments chimiques et tableau périodique

Chaque élément chimique est défini par son nombre de protons (Z). Le tableau périodique classe les éléments selon :

• Leur numéro atomique croissant.
• Le nombre d’électrons et leur configuration électronique.

Organisation du tableau périodique

• Groupes (colonnes) : éléments avec mêmes propriétés chimiques car même nombre d’électrons externes.
• Périodes (lignes) : éléments avec même nombre de couches électroniques.

[Diagramme]

7. Lien entre structure atomique et propriétés chimiques

Les propriétés chimiques d’un élément dépendent fortement de la configuration de sa couche électronique externe (couche de valence).

• Les atomes tendent à remplir ou vider leur couche externe pour atteindre une configuration stable (règle de l’octet).
• Cette tendance entraîne la formation de liaisons chimiques (ionique, covalente).

Exemple :

• Le sodium (Na) a un électron en plus dans sa 3e couche qu’il peut facilement céder.
• Le chlore (Cl), avec sept électrons dans sa couche externe, a tendance à en gagner un pour compléter sa couche.

Synthèse

• L’atome est constitué d’un noyau dense contenant des protons et neutrons, entouré d’électrons en mouvement.
• Le numéro atomique détermine l’identité chimique, tandis que le nombre de masse situe l’isotope.
• Les électrons sont organisés en couches d’énergie, la configuration électronique explique la réactivité des éléments.
• Le tableau périodique reflète la structure électronique et permet de prédire les propriétés chimiques.
• Comprendre la structure atomique est la clé pour maîtriser les comportements des éléments chimiques et leurs interactions.

N’hésitez pas à approfondir chaque point pour saisir leurs implications en chimie et physique !