Chapitre 1 Éléments Réactifs PDF

ELEMENTS REACTIFS Souvent, certains isotopes sont radioactifs, leur noyau instable se décompose spontanément. Le gros noyau de 226 nucléons (photo ci-contre), dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons. Il se transforme alors en noyau de rado...

ELEMENTS REACTIFS Souvent, certains isotopes sont radioactifs, leur noyau instable se décompose spontanément. Le gros noyau de 226 nucléons (photo ci-contre), dont 88 protons et 138 neutrons, émet une particule alpha composée de deux protons et deux neutrons. Il se transforme alors en noyau de radon-222, lui-même radioactif, contenant deux protons et deux neutrons de moins. Caractéristiques des atomes isotopes Des atomes isotopes : - Possèdent des propriétés chimiques presque identiques car ces isotopes ont le même nombre d'électrons (et de protons). - Diffèrent par le nombre A de leurs nucléons : ils ont des masses et des propriétés physiques différentes. - N'ont pas la même abondance naturelle : les proportions des isotopes du chlore sont 75% de Cl 17 35 et 25% de Cl 17 37. 1. Configuration électronique d'un atome ou d'un ion Les électrons évoluent autour du noyau dans un espace assez grand. Ils n'ont pas tous la même énergie et se trouvent à des distances variables du noyau. L'ensemble des électrons entourant le noyau constitue le cortège ou le nuage électronique de l'atome. Comment se répartissent les électrons d'un atome ? 1.1. Niveaux d'énergie ou couches électroniques. Pour arracher un électron à un atome il faut fournir de l'énergie. Les expériences ont permis de déduire que les électrons ne sont pas attirés de la même manière par le noyau car les énergies à fournir pour les arracher sont différentes; par conséquent les électrons ne doivent pas occuper la même position par rapport au noyau. Les électrons sont réaprtis autour du noyau sur des couches portant des numéros allant de n = 1 à n = 7. On convient de les appeler K, L, M, N, P, O et Q. Chaque couche est caractérisée par un niveau d'énergie bien déterminée qui augmente à mesure que le numéro n de la couche augmente. Ainsi, la couche K a le plus bas niveau d'énergie. État fondamental et état excité : Considérons l'atome hydrogène :  Il possède un seul électron qui se trouve sur la première couche K. Il est ainsi le plus proche du noyau, il est dans son état fondamental. Sous l'action d'une énergie extérieure appelée énergie excitatrice (électrique ou thermique), l'électron gagne une petite quantité d'énergie appelée "quantum" énergétique et passe à la couche supérieure L. Il peut également passer à des couches plus éloignées, si l'énergie absorbée est plus élevée. On dit alors que l'atome est dans un état instable appelé état excité. Exemple 20 10 𝑁𝑒 : K L est dans son état fondamental. 2 8 20 Ne : K2 L7 M1 est dans un état excité. Lorsque énergie excitatrice cesse, l'électron revient à son état fondamental en émettant le quantum d'énergie qu'il a gagné sous forme d'un quantum lumineux appelé photon. 1.2. Sous-niveaux d'énergie ou sous-couches Dans un atome comportant plusieurs électrons, il a été prouvé que des électrons d'un niveau énergétique déterminé ne possèdent pas la même énergie mais des énergies de valeurs voisines. Ces constatations nous amènent à admettre la subdivision des niveaux en sous-niveaux ou sous-couches électroniques. Les sous-couches sont désignées par les lettres minuscules s, p, d et f. Dans une couche particulière, s représente la sous-couche de moindre énergie, p, a une énergie plus élevée. Par ordre d'énergie croissante, on peut les classer ainsi : énergie de s < énergie de p < énergie de d < énergie de f. Pour les quatre premiers niveaux, le nombre de sous-couches est égal au numéro de la couche : - La couche K, n° 1, ne peut avoir qu'un seul sous-niveau s désigné par 1s. - La couche L, n° 2, comprend 2 sous-couches désignées par 2s et 2p. - La couche M, n° 3, possède 3 sous-couches: 3s, 3p et 3d. - La couche N, n° 4, possède 4 sous-couches: 4s, 4p, 4d et 4f. Pratiquement une couche ne peut avoir plus de 4 sous-couches. 1.3. Saturation des couches et des sous-couches Combien d'électrons peut renfermer chaque COUCHE ? Chacune des couches K, L, M, N est saturée par un nombre d'électrons bien déterminé. K peut contenir 2 électrons au maximum, L peut contenir au maximum 8 électrons, M peut contenir 18 électrons au maximum, N peut contenir 32 électrons au maximum. O peut contenir maximum 32 électrons, P peut contenir maximum 18 électrons, et Q peut contenir maximum 8 électrons.  Combien d'électrons peut renfermer chaque SOUS-COUCHE ? - La couche K peut contenir 2e et renferme 1 seule sous-couche s. Cette dernière peut donc renfermer 2e. On la note 1s2. - L peut contenir 8 électrons qui sont répartis : 2 electrons sur s et 6 electrons sur p. On les note : 2s2 2p6. - Pour la couche M, on aura : 3s2, 3p6, 3d10 - la couche N : 4s2 4p6 4d10 4f14 - la couche O : 5s2 5p6 5d10 5f14 - la couche P : 6s2, 6p6, 6d10 - la couche Q : 7s2, 7p6 1.3. Écrire la configuration électronique d'un atome. La connaissance du numéro atomique Z permet de connaître le nombre de protons dans l'atome. Puisque l'atome est par définition neutre, le nombre d'électrons correspond aussi à Z. Comment se distribuent alors les électrons autour du noyau d'un atome ? La répartition des électrons dans un atome, dite structure électronique ou configuration électronique ou encore formule électronique, obéit à deux règles essentielles : - Chaque niveau d'énergie ne peut contenir qu'un nombre maximal d'électrons : 2n'. - Les électrons commencent par occuper le niveau d'énergie le plus faible. La méthode de remplissage des sous-couches suit la règle de Klechkowski. Elle permet de retrouver l'ordre de remplissage des niveaux d'énergie électronique. Pour écrire, conformément à la règle de Klechkowski, la configuration électronique d un atome de numéro atomique Z, il suffit de remplir successivement les sous-couches de plus basses énergies, en les saturant à 2,6,10 ou 14e selon qu'il s'agit de sous-couches s, p, d ou f; ce qui donne l'ordre: 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d,5p, 6s... REMARQUES - Les ions monoatomiques suivent les mêmes règles de remplissage que celle de l'atome. - Il faut distinguer la configuration électronique de l'état fondamental de celle de l'état excité de l'atome : Exemple, la configuration électronique pour l'aluminium 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 correspond à un état fondamental. À l'état excité on écrit 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2. Exemple, Déterminons la structure électronique de chacun des atomes et ions à l'état fondamental : - Atome de soufre (Z = 16). Il y a donc 16 électrons à placer : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 BILAN Un atome est électriquement neutre. Il est constitué d'une partie centrale, le noyau, chargée positivement et d'une partie périphérique comprenant les électrons chargés négativement qui sont en mouvement autour du noyau. v Deux nombres entiers caractérisent un noyau : Z, (le nombre de protons), A, (le nombre de nucléons : protons et neutrons). Le nombre de neutrons est donc égal à A - Z. Un atome de symbole chimique X, dont le noyau comporte Z protons et A nucléons, est noté : La masse approchée de l'atome est égale à la masse des nucléons qui constituent son noyau: m(atome) ~ A x m (nucléon) v Un ion monoatomique est un atome qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. v L'ensemble des atomes (ou des ions) ayant même Z constitue un même élément chimique. Un élément est identifié par son numéro atomique Z. v Des atomes ayant un même numéro atomique Z (appartenant à un même élément) avec un nombre de neutrons différent, sont appelés ISOTOPES de l'élément correspondant. Des atomes isotopes possèdent des propriétés chimiques presque identiques. v La répartition des électrons dans un atome, dite structure électronique ou configuration électronique ou encore formule électronique, obéit à deux règles essentielles : - Chaque niveau d'énergie ne peut contenir qu'un nombre maximal d'électrons. - Les électrons commencent par occuper le niveau d'énergie le plus faible. Dans la représentation de Lewis d'un atome, le noyau et les couches internes sont représentés par le symbole de l'élément et les électrons de valence (électrons périphériques) par des points placés autour du symbole sur un système d'axes perpendiculaires.