Chimie - L'atome (Constitution, Isotopes, Configuration électronique, Classification périodique)

Flashcards complètes au format Question-Réponse portant sur le cours de chimie de l'atome : structure lacunaire, constitution, isotopes, calculs de masse et charge, configurations électroniques (Klechkowski, octet/duet) et classification périodique.

De quoi est constitué un atome selon le modèle simplifié de l'atome ?

L'atome est constitué d'un noyau central composé de nucléons (protons et neutrons), d'électrons en mouvement autour du noyau formant le cortège électronique, et essentiellement de vide (structure lacunaire).

Quelle est la taille caractéristique d'un noyau atomique par rapport à celle de l'atome entier ?

Le noyau mesure environ $10^{-15}\,\text{m}$ (femtomètre), ce qui est environ $100\,000$ fois plus petit que l'atome entier.

Quelle est la valeur de la charge élémentaire $e$ ?

$$e = 1,602 \times 10^{-19}\,\text{C}$$

Quelles sont les charges électriques respectives du proton, de l'électron et du neutron ?

Le proton porte une charge positive égale à $+e = +1,602 \times 10^{-19}\,\text{C}$, l'électron porte une charge négative égale à $-e = -1,602 \times 10^{-19}\,\text{C}$, et le neutron ne porte aucune charge électrique ($0\,\text{C}$).

Quelles sont les valeurs numériques des masses du proton, du neutron et de l'électron ?

Masse du proton : $m_p = 1,673 \times 10^{-27}\,\text{kg}$. Masse du neutron : $m_n = 1,675 \times 10^{-27}\,\text{kg}$. Masse de l'électron : $m_e = 9,1 \times 10^{-31}\,\text{kg}$.

Pourquoi dit-on que quasiment toute la masse de l'atome est concentrée dans son noyau ?

Parce que la masse d'un électron est environ $2000$ fois plus petite que celle d'un proton ou d'un neutron (les électrons représentent environ $0,03\,\%$ de la masse de l'atome), sa masse est donc négligeable devant celle du noyau.

Dans la notation symbolique d'un atome $^{A}_{Z}\text{X}$, que représentent respectivement les lettres $X$, $Z$ et $A$ ?

$X$ est le symbole de l'élément chimique, $Z$ est le numéro atomique (nombre de protons, et nombre d'électrons pour un atome neutre), et $A$ est le nombre de masse (nombre total de nucléons, soit protons + neutrons).

Quelle relation mathématique relie le nombre de neutrons $N$, le nombre de masse $A$ et le numéro atomique $Z$ ?

$$N = A - Z$$

Combien de protons, de neutrons et d'électrons possède un atome de sodium $^{23}_{11}\text{Na}$ ?

Il possède $11$ protons, $11$ électrons (car l'atome est neutre), et $23 - 11 = 12$ neutrons.

Combien de protons, de neutrons et d'électrons possède un atome de cuivre $^{63}_{29}\text{Cu}$ ?

Il possède $29$ protons, $29$ électrons, et $63 - 29 = 34$ neutrons.

Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Parce qu'il comporte exactement autant de charges positives dans son noyau (protons) que de charges négatives dans son cortège électronique (électrons) : $Q_{\text{atome}} = (Z \cdot e) + (Z \cdot (-e)) = 0\,\text{C}$.

Quelle est la formule permettant de calculer la charge électrique totale d'un noyau atomique $Q_{\text{noyau}}$ ?

$$Q_{\text{noyau}} = Z \times e$$

Qu'est-ce qu'un cation et comment se forme-t-il ?

Un cation est un ion chargé positivement, formé lorsqu'un atome perd un ou plusieurs électrons (exemple : $\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-$).

Qu'est-ce qu'un anion et comment se forme-t-il ?

Un anion est un ion chargé négativement, formé lorsqu'un atome gagne un ou plusieurs électrons (exemple : $\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-$).

Quelle formule générale donne le nombre d'électrons d'un ion de charge $q$ à partir de son numéro atomique $Z$ ?

$$\text{nb } e^- = Z - q$$

Combien d'électrons possèdent respectivement l'ion magnésium $\text{Mg}^{2+}$ ($Z = 12$) et l'ion chlorure $\text{Cl}^-$ ($Z = 17$) ?

$\text{Mg}^{2+}$ possède $12 - 2 = 10$ électrons ; $\text{Cl}^-$ possède $17 - (-1) = 17 + 1 = 18$ électrons.

Quelle est la définition de deux atomes isotopes ?

Ce sont des atomes d'un même élément chimique qui possèdent le même numéro atomique $Z$ (même nombre de protons) mais un nombre de masse $A$ différent (nombre de neutrons $N$ différent).

Quels sont les trois isotopes de l'hydrogène montrés sur ce schéma et quelle est leur composition ?

L'hydrogène ($^{\text{1}}_{\text{1}}\text{H}$ : $1$ proton, $0$ neutron), le deutérium ($^{\text{2}}_{\text{1}}\text{H}$ : $1$ proton, $1$ neutron) et le tritium ($^{\text{3}}_{\text{1}}\text{H}$ : $1$ proton, $2$ neutrons).

Pourquoi les espèces chimiques $^{14}_{6}\text{C}$ et $^{14}_{7}\text{N}$ ne sont-elles pas des isotopes malgré un nombre de masse $A$ identique ?

Parce qu'elles ont des numéros atomiques $Z$ différents ($Z=6$ pour le carbone et $Z=7$ pour l'azote) ; ce sont donc deux éléments chimiques totalement différents et non des isotopes.

Un atome neutre et un ion peuvent-ils former un couple d'isotopes ? Justifier avec un exemple.

Oui, car le caractère isotope ne dépend que du noyau ($Z$ et $A$). Par exemple, $^{35}_{17}\text{Cl}$ et $^{37}_{17}\text{Cl}^-$ ont le même $Z = 17$ et des $A$ différents, ce sont donc des isotopes bien que l'un soit un ion.

Quelles sont les applications médicales ou scientifiques des isotopes suivants : Iode 131, Technétium 99m, Fluor 18 et Carbone 14 ?

Iode 131 : exploration et traitement de la thyroïde ; Technétium 99m : scintigraphie (os, cœur) ; Fluor 18 : TEP-scan pour repérer les tumeurs ; Carbone 14 : datation des restes anciens par radioactivité.

Quelle est la formule de calcul de la masse molaire moyenne d'un élément chimique à partir de ses isotopes ?

$$\bar{M} = \frac{\sum (M_i \times \%_i)}{100} = \frac{(M_1 \times \%_1) + (M_2 \times \%_2) + (M_3 \times \%_3)}{100}$$

Calculer la masse molaire moyenne du chlore naturel composé de $75,8\,\%$ de $^{35}\text{Cl}$ et $24,2\,\%$ de $^{37}\text{Cl}$.

$$M_{\text{Cl}} = 35 \times \frac{75,8}{100} + 37 \times \frac{24,2}{100} = 35,5\,\text{g}\,\text{mol}^{-1}$$

Quelle est la formule donnant le nombre maximal d'électrons qu'une couche de rang $n$ peut contenir ?

$$2n^2$$

Quelles sont les capacités maximales en électrons des couches K ($n=1$), L ($n=2$), M ($n=3$) et N ($n=4$) ?

Couche K : $2\,\text{e}^-$ ; Couche L : $8\,\text{e}^-$ ; Couche M : $18\,\text{e}^-$ ; Couche N : $32\,\text{e}^-$.

En quoi consistent respectivement la règle du duet et la règle de l'octet ?

La règle du duet correspond à la saturation du niveau externe à $2$ électrons (cas de l'hélium). La règle de l'octet correspond à la saturation du niveau externe à $8$ électrons, conférant une grande stabilité comme celle des gaz rares.

Quelles sont les capacités maximales en électrons et le nombre de cases quantiques pour les sous-couches s, p, d et f ?

Sous-couche s : $2\,\text{e}^-$ max ($1$ case) ; sous-couche p : $6\,\text{e}^-$ max ($3$ cases) ; sous-couche d : $10\,\text{e}^-$ max ($5$ cases) ; sous-couche f : $14\,\text{e}^-$ max ($7$ cases).

Quel est l'ordre de remplissage des sous-couches selon la règle de Klechkowski pour les éléments de $Z \le 20$ ?

$$1s \rightarrow 2s \rightarrow 2p \rightarrow 3s \rightarrow 3p \rightarrow 4s$$

Pourquoi la sous-couche $4s$ se remplit-elle avant la sous-couche $3d$ selon la règle de Klechkowski ?

Parce que l'ordre suit les valeurs croissantes de $(n + \ell)$ : pour $4s$, $n + \ell = 4 + 0 = 4$, alors que pour $3d$, $n + \ell = 3 + 2 = 5$. La valeur pour $4s$ étant plus petite, elle est plus basse en énergie.

Donner la configuration électronique en sous-couches et le nombre d'électrons de valence du chlore ($Z = 17$).

Configuration : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$ (ou $[\text{Ne}]\,3s^2\,3p^5$). Il possède $7$ électrons de valence (couche externe $n=3$).

Quelle est la configuration électronique du potassium ($Z = 19$) en couches et pourquoi s'écrit-elle $(\text{K})^2(\text{L})^8(\text{M})^8(\text{N})^1$ ?

Sa configuration en sous-couches est $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^6\,4s^1$. D'après la règle de Klechkowski, la sous-couche $4s$ se remplit après $3p$ et avant $3d$ ; le $19^{\text{e}}$ électron va donc sur la couche N ($n=4$) et non sur M.

Dans le tableau périodique, que renseignent le numéro de la ligne (période) et le numéro de la colonne (famille) ?

Le numéro de la ligne indique le nombre de couches électroniques occupées. Le numéro de la colonne indique le nombre d'électrons présents sur la couche externe (électrons de valence).

Quels sont les noms attribués aux familles des colonnes 1, 2, 17 et 18 de la classification périodique ?

Colonne 1 : métaux alcalins (à l'exception de l'hydrogène) ; Colonne 2 : métaux alcalino-terreux ; Colonne 17 : halogènes ; Colonne 18 : gaz rares (ou gaz nobles).

Pourquoi les éléments de la famille du carbone (colonne 14) sont-ils dits tétravalents ?

Parce qu'ils possèdent $4$ électrons sur leur couche externe et ont besoin de $4$ électrons supplémentaires pour respecter la règle de l'octet ; ils établissent donc $4$ liaisons covalentes dans une molécule.

Quelle est la charge du noyau d'un atome de brome ($A = 80$, $Z = 35$) ?

$$Q_{\text{noyau}} = 35 \times 1,602 \times 10^{-19}\,\text{C} = 5,607 \times 10^{-18}\,\text{C}$$