Structure atomique

Tout est fait d'atomes 原子. Un atome est principalement de l'espace vide. Au centre se trouve un noyau minuscule et lourd nucleus 原子核. Le noyau contient deux types de particules : des protons 质子 et des neutrons 中子. Autour du noyau, dans l'espace vide, se déplacent les électrons 电子. Les électrons restent dans des coquilles 壳层 – des couches situées à des distances fixes du noyau.

Le noyau est très petit mais contient presque toute la masse. Les électrons occupent presque tout l'espace mais ont presque aucune masse.

Charge relative et masse relative

Nous comparons les trois particules en utilisant la charge relative 相对电荷 et la masse relative 相对质量. Ce sont des nombres simples, pas de vraies unités.

Un proton et un neutron ont presque la même masse. Un électron est environ 1836 fois plus léger. Le proton est positif, l'électron est négatif, et le neutron n'a aucune charge — il est neutre 中性.

Numéro atomique et nombre de nucléons

Deux nombres décrivent le noyau :

• le numéro atomique 质子数 (aussi appelé numéro atomique 原子序数), symbole $Z$ — le nombre de protons.
• le nombre de nucléons 核子数 (aussi appelé nombre de masse 质量数), symbole $A$ — le nombre total de protons et de neutrons. Les protons et les neutrons sont tous deux des nucléons 核子.

Donc le nombre de neutrons est $A - Z$.

Compter les particules dans un atome ou un ion

Pour un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, ce qui équivaut à $Z$.

Un ion 离子 est un atome qui a perdu ou gagné des électrons, donc il possède une charge :

• un ion positif a moins d'électrons que de protons.
• un ion négatif a plus d'électrons que de protons.

Exemple : $^{27}_{13}\text{Al}^{3+}$ a $13$ protons, $27 - 13 = 14$ neutrons et $13 - 3 = 10$ électrons (il a perdu 3 électrons pour devenir $3+$).

Répartition de la masse et de la charge

Presque toute la masse est concentrée dans le noyau, car les protons et les neutrons sont lourds et les électrons sont très légers. Toute la charge positive est dans le noyau (les protons). La charge négative est répartie sur les couches (les électrons).

Faisceaux de particules dans un champ électrique

Imaginez des faisceaux de protons, de neutrons et d'électrons se déplaçant à la même vitesse vers un champ électrique 电场 entre deux plaques chargées :

• le faisceau de protons se courbe vers la plaque négative (les protons sont positifs).
• le faisceau d'électrons se courbe dans l'autre sens, vers la plaque positive. Il se courbe beaucoup plus, car l'électron est bien plus léger — une même force provoque une plus grande déflexion 偏转 pour une masse plus petite.
• le faisceau de neutrons passe tout droit. Il n'a aucune charge, donc le champ ne lui exerce aucune force.

Rayon atomique et rayon ionique

Le rayon atomique 原子半径 est la taille d'un atome. Le rayon ionique 离子半径 est la taille d'un ion.

À travers une période 周期 (de gauche à droite), le rayon atomique diminue. La charge nucléaire 核电荷 (l'attraction des protons) augmente, mais les électrons entrent dans la même couche externe, donc le blindage 屏蔽 par les couches internes reste à peu près constant. L'attraction plus forte attire la couche externe vers l'intérieur.

En descendant un groupe 族 (de haut en bas), le rayon atomique augmente. Chaque étape descendante ajoute une nouvelle couche, donc les électrons externes sont plus éloignés et ressentent plus de blindage du noyau.

Pour les ions :

• un ion positif (cation 阳离子) est plus petit que son atome. Il a perdu sa couche externe, et les électrons restants ressentent une attraction plus forte chacun.
• un ion négatif (anion 阴离子) est plus grand que son atome. Il a gagné des électrons, donc il y a plus de répulsion 排斥 entre les électrons.
• parmi les ions ayant le même nombre d'électrons, celui qui a le plus de protons est le plus petit.

Les isotopes 同位素 sont des atomes du même élément ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Ainsi, les isotopes ont le même numéro atomique $Z$ mais un nombre de nucléons différent $A$.

Nous écrivons un isotope comme $^{A}_{Z}\text{X}$ : le nombre de nucléons $A$ en haut, le numéro atomique $Z$ en bas. Par exemple, le chlore a deux isotopes principaux, $^{35}_{17}\text{Cl}$ et $^{37}_{17}\text{Cl}$.

Propriétés chimiques identiques

Les propriétés chimiques 化学性质 dépendent des électrons, surtout des électrons externes. Les isotopes d'un même élément ont le même nombre d'électrons disposés de la même manière. Ils réagissent donc exactement de la même façon — ils ont les mêmes propriétés chimiques.

Propriétés physiques différentes

Certaines propriétés physiques 物理性质 dépendent de la masse, donc elles diffèrent entre isotopes. Un isotope plus lourd a plus de neutrons, donc plus de masse, et par conséquent une densité 密度 plus élevée. (Le programme limite cette différence à la masse et à la densité.)

Les électrons sont organisés dans des couches, des sous-couches et des orbitales.

Couches et nombre quantique principal

Chaque couche est étiquetée par le nombre quantique principal 主量子数 $n = 1, 2, 3, \dots$. Un $n$ plus grand signifie une couche plus éloignée du noyau et d'une énergie plus élevée.

Sous-couches et orbitales

Chaque couche est divisée en sous-couches 亚层, nommées s, p et d. Chaque sous-couche est constituée d'orbitales 轨道. Une orbite est une petite région pouvant contenir jusqu'à deux électrons.

Ainsi, une sous-couche s contient 2 électrons, une sous-couche p contient 6, et une sous-couche d contient 10.

Ordre d'énergie croissante

Les électrons remplissent d'abord la sous-couche de plus basse énergie. Pour les trois premières couches, ainsi que 4s et 4p, l'ordre d'énergie croissante est :

Remarquez la surprise : 4s est légèrement plus bas en énergie que 3d, donc 4s se remplit en premier.

Configuration électronique

La configuration électronique 电子排bud liste le nombre d'électrons dans chaque sous-couche. L'arrangement de plus basse énergie est l'état fondamental 基态.

Pour le fer (Fe, $Z = 26$) :

Vous pouvez écrire une forme abrégée en utilisant le gaz noble 稀有气体 le plus proche entre crochets :

Ici $[\text{Ar}]$ représente la configuration complète de l'argon.

Pour les ions, vous ajoutez ou retirez des électrons. Une règle importante : lorsqu'un métal de transition forme un ion positif, il perd ses électrons 4s avant ses électrons 3d. Donc $\text{Fe}^{3+}$ devient $[\text{Ar}]\,3\text{d}^5$.

Électrons dans des boîtes

La notation électrons dans des boîtes tire chaque orbite comme une boîte et chaque électron comme une flèche. Deux électrons dans la même orbite doivent pointer dans des sens opposés, car chaque électron possède une propriété appelée spin 自旋, et une orbite partagée nécessite des spins opposés.

Au sein d'une sous-couche, les électrons remplissent les orbitales vides une à une, avec des flèches parallèles, avant qu'une orbite n'ait un deuxième électron. Se disperser ainsi garde les électrons éloignés et réduit la répulsion entre eux.

Pourquoi la configuration prend cette forme

Les électrons se remplissent de basse énergie vers haute énergie car cela donne l'atome le plus stable (plus basse énergie). Au sein d'une sous-couche, ils se dispersent d'abord individuellement pour réduire la répulsion entre les électrons négatifs.

Formes des orbitales s et p

• une orbite s est une sphère 球形 centrée sur le noyau.
• une orbite p a deux lobes, comme une haltère, pointant le long d'un axe. Les trois orbitales p pointent selon trois directions perpendiculaires (les axes $x$, $y$ et $z$).

Radicaux libres

Un radical libre 自由基 est une espèce possédant un ou plusieurs électrons non appariés 未成对电子. Les radicaux libres sont très réactifs.

Première énergie d'ionisation

La première énergie d'ionisation 第一电离能 (IE) est l'énergie nécessaire pour retirer un électron de chaque atome d'une mole d'atomes gazeux, formant une mole d'ions gazeux $+1$.

Nous utilisons des atomes gazeux pour éviter toute force entre les particules. L'unité est $\text{kJ mol}^{-1}$. En tant qu'équation, pour un élément X :

Le $(\text{g})$ indique que l'espèce est gazeuse.

Énergies d'ionisation successives

Après avoir retiré un électron, on peut en retirer un autre. La deuxième énergie d'ionisation retire un électron de chaque ion $+1$ :

On peut continuer. Ce sont les énergies d'ionisation successives 逐级电离能. Chacune est plus grande que la précédente, car chaque électron est arraché à un ion de plus en plus positif.

Sur quoi dépend l'énergie d'ionisation

L'énergie d'ionisation provient de l'attraction entre le noyau positif et l'électron externe. Trois facteurs principaux déterminent l'intensité de cette attraction :

• charge nucléaire : plus il y a de protons, plus ils attirent les électrons fortement, donc l'énergie d'ionisation est plus élevée.
• rayon atomique : plus l'électron externe est éloigné du noyau, plus l'attraction est faible, donc l'énergie d'ionisation est plus basse.
• effet d'écran : les couches internes bloquent une partie de l'attraction sur l'électron externe. Plus il y a de couches internes, plus l'effet d'écran est important et l'énergie d'ionisation est basse.

Il existe aussi un effet moindre — la répulsion des paires de spin 自旋成对排斥. Lorsque deux électrons partagent une même orbitale, ils se repoussent légèrement, ce qui rend l'un d'eux plus facile à retirer.

Tendances de l'énergie d'ionisation première

Le long d'une période, l'énergie d'ionisation première augmente généralement. La charge nucléaire croît tandis que l'effet d'écran reste peu variable, donc les électrons externes sont retenus plus fermement.

Au sein d'un groupe, l'énergie d'ionisation première diminue. Les éléments situés plus bas ont plus de couches, donc un effet d'écran plus important et un rayon plus grand, et l'électron externe est plus facile à retirer.

Les creux constituent une preuve pour les sous-couches

La hausse le long d'une période n'est pas régulière. Deux petits creux apparaissent, et vous devez pouvoir expliquer chacun d'eux :

• Groupe 2 vers Groupe 13 (par exemple Mg vers Al) : l'électron retiré de Al provient d'une sous-couche 3p, qui est plus énergétique que la sous-couche 3s complète dans Mg. Un électron 3p est plus facile à retirer, donc la valeur chute.
• Groupe 15 vers Groupe 16 (par exemple P vers S) : dans S, une orbitale 3p contient maintenant une paire d'électrons. La répulsion des paires de spin rend l'un d'eux plus facile à retirer, donc la valeur chute.

Ces creux constituent une preuve que les sous-couches existent.

Les énergies d'ionisation successives constituent une preuve pour les couches

Si vous tracez les énergies d'ionisation successives d'un élément, les valeurs augmentent avec des sauts importants à certains moments. Un saut important survient lorsque l'électron suivant doit provenir d'une couche plus proche du noyau.

Comptez combien d'électrons sont retirés facilement avant le premier grand saut — c'est le nombre d'électrons dans la couche externe, ce qui indique le groupe auquel appartient l'élément. Vous pouvez également utiliser le motif pour déterminer la configuration électronique et la position de l'élément dans le Tableau Périodique.

Exemple résolu. Les cinq premières énergies d'ionisation successives d'un élément sont $590$, $1150$, $4940$, $6480$ et $8120\ \text{kJ}\,\text{mol}^{-1}$. Dans quel groupe se trouve-t-il ? Cherchez le grand saut, pas le plus grand nombre. De la 1re à la 2e, la valeur double environ, ce qui est une augmentation normale. De la 2e ($1150$) à la 3e ($4940$), elle quadruple plus que cela : c'est le saut. Donc deux électrons se détachent facilement avant cela, la couche externe contient 2 électrons, et l'élément est dans le Groupe 2. Comptez les électrons retirés avant le saut, et expliquez correctement le saut : le prochain électron est tiré d'une couche plus proche du noyau, pas d'un élément différent.

• Définissez les isotopes en entier : atomes du même élément ayant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons — le barème exige les deux parties.
• 4s se remplit avant 3d, mais les électrons sont retirés de 4s en premier lors de la formation des ions, donc $\text{Fe}^{3+}$ est $[\text{Ar}]3\text{d}^5$ (pas $[\text{Ar}]3\text{d}^3 4\text{s}^2$).
• Dans les énergies d'ionisation successives, un grand saut marque le début d'une nouvelle (couche interne) — utilisez les sauts pour placer l'élément dans son groupe.
• Expliquez chaque tendance d'énergie d'ionisation avec les trois mêmes facteurs : charge nucléaire, distance et effet d'écran, plus les effets des sous-couches pour les petits creux.
• Apprenez la raison exacte pour laquelle l'énergie d'ionisation première de l'oxygène est inférieure à celle de l'azote : les électrons appariés 2p de l'oxygène se repoussent, donc l'un est plus facile à retirer.