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1. Corrélation entre la structure chimique, les propriétés des substances

et leurs utilisations

1.1. La structure atomique

Le monde, la matière, les êtres vivants sont fait d'atomes. L'atome est la "brique

élémentaire" grâce à laquelle la matière existe.

Dans l'atome, les deux parties importantes sont :

le noyau où se trouvent protons et neutrons

le nuage électronique où sont dispersés les électrons de l'atome

Dans une approche simple, celle valable pour les chimistes, la matière est composée

de trois particules. En fait, il y a plusieurs centaines de particules qui permettent d'interpréter

la composition des atomes et la nature de leurs interactions, mais nous laissons de côté le

domaine de la physique des particules pour nous centrer sur les trois particules : électron,

proton et neutron, qui permettent de construire le légo chimique de la matière.

Il faut néanmoins se méfier du terme élémentaire, mais en chimie, la connaissance de

l'atome et des trois particules qui le composent suffit à expliquer tous les phénomènes. Ces

trois particules sont :

l'électron : particule portant une charge négative, tournant

autour du noyau.

le proton : particule portant une charge positive, située dans le

noyau, pesant environ 1850 fois la masse de l'électron.

le neutron : particule sans charge, située dans le noyau, pesant

la même masse que le proton.

Ces trois particules ont des caractéristiques physiques bien connues (masse, charge,

rayon), excepté le rayon de l'électron.

Dans ce mode de représentation, un atome est défini par :

le nombre de protons : Z

le nombre de neutrons : A - Z (puisque A est le nombre de

nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons) ;

le nombre d'électrons qui est égal à :

o Z pour un atome neutre,

o Z + n dans le cas d'un anion à n charges négatives,

o Z - n dans le cas d'un cation à n charges positives.

L'élément chimique

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Connaître complètement la constitution d'un atome c'est connaître son nombre d'électrons,

de protons, et de neutrons. C'est pourquoi on utilise le symbolisme de l'élément chimique.

L'élément chimique est un concept simple qui permet de différencier les constituants

fondamentaux de la matière, les atomes. En effet, ce qui va faire les propriétés chimiques (et

non physiques) d'un atome (isolé ou dans une molécule), va être le nombre de particules qui le

composent, particulièrement le nombre de protons et le nombre d'électrons.

Nomenclature

Les atomes se différencient par leur nombre d'électrons, de protons et de neutrons. Par

définition, un élément chimique, comme le carbone, l'oxygène ou l'uranium est défini par son

nombre de protons, un nombre entier correspondant aussi au numéro atomique noté Z. La

seule connaissance du nombre de protons (Z) permet donc de savoir quel est l'élément

chimique.

Si deux éléments chimiques (qui ont par définition le même nombre de protons), mais

ils ont un nombre de neutrons différent, on parle d'isotopes. Ces isotopes ont les

mêmes propriétés chimiques mais se distingue par une masse différente mais surtout

une stabilité différente qui confère à certains isotopes un caractère radioactif.

Exemple. Le carbone-12 est l'isotope de l'élément carbone le plus courant, mais on trouve

dans la nature du carbone-13 et du carbone-14.

Si deux éléments chimiques ne se distinguent que leur nombre d'électrons, on a alors

des formes ioniques.

Exemple. Le fer possède naturellement 26 électrons. Si il n'en porte plus que 24, on a

alors l'ion fer (II) Fe2+

, si il n'en porte plus que 23, on a l'ion fer (III), Fe3+

.

Si le nombre de protons (Z) varie, on change d'élément chimique.

Mouvement des particules dans leur environnement

Les protons et les neutrons ne sont pas immobiles dans le noyau. Ils bougent et leur

mouvement peut être considéré en première approximation comme une oscillation

(ressort).

Les électrons, eux, se déplacent à grande vitesse (un peu moins de la vitesse de la

lumière). Leur déplacement n'est pas celui d'une orbite telle qu'on les représente

souvent. Les électrons se trouvent dans un nuage diffus où on les positionne selon leur

probabilité de présence (lobes de densité).

1.2. L’organisation des électrons dans les atomes

Dans l’étude de chimie la structure du noyau este mois intéressante tandis que la

connaissance du organisation du électrons est essentielle pour expliquer la structure et les

propriétés de la matière, ainsi que les transformations chimiques.

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Le model quantique de l’atome (le model du Bohr) regard l’électron comme une

particule en mouvement sans interruption dont l’énergie a des valeurs bien déterminées. Ces

valeurs sont nommées niveaux d’énergie et le passage d’un niveau d’énergie à l’autre niveau

se passe avec l’absorption à l’émission d’énergie.

Dans l’absence d’une excitation extérieure, les électrons se trouvent toujours sur les

niveaux d’énergie minime, donc l’atome est dans un état fondamental.

La description courante d’électron avec l’aide de la mécanique quantique est basée sur

l’équation d‘onde du Schrödinger.

L’état d’un électron (son énergie et la géométrie de la région spatiale dans la quelle il

évolue) est défini par les valeurs de quatre nombres quantiques : n, l, m et s.

nombre quantique principal n, définissant les couches électroniques

nombre quantique secondaire l, définissant les sous-couches électroniques

nombre quantique magnétique m, définissant l'orientation spatiale de l'orbitale

atomique

nombre quantique de spin s, définissant le moment angulaire intrinsèque de

l'électron dans son orbitale

La mécanique quantique indique les régions où existe la possibilité maximale de

trouver des électrons. Ces régions s’appellent orbitales. Les orbitales diffèrent comme forme

et énergie et sont organisées en couche et sous couche.

L’ensemble d’électrons qui possède le même numéro quantique principal, n, constitue

une couche électronique. Dans le cadre d’une couche, les électrons qui possèdent le même

numéro l, constituent une sous-couche. Dans le cadre d’une sous-couche, les électrons qui

possèdent le même numéro « m », appartiennent du même orbital. Dans un orbital se

trouvent au maximum deux électrons avec le spin différent.

La forme et l’énergie des orbitales dans une couche sont différentes. Tous les orbitales

« s » ont une symétrie sphérique autour du noyau, tandis que les orbitales « p » ont une forme

bilobé et sont situes sur les trois directions. Les orbitales « d » et « f » ont des formes plus

compliques. L’énergie relative de cette orbitale est représenté par des petites lignes

horizontales.

Compte tenu de la définition des quatre nombres quantiques n, l, m et s, le nombre

d'électrons déduit du nombre de cases quantiques (valeurs de m) par sous-couches (valeurs de

l) des quatre premières couches électroniques:

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Exemples de géométrie les orbitales s, p, d, f :

La configuration électronique d’un atome dans son état fondamental est représentée en

appliquant les règles suivantes :

1) le principe Aufbau : les électrons occupent l’orbitale libre avec la plus faible énergie ;

2) le principe d’exclusion du Pauli : une orbital peut être occupé avec maximum deux

électrons ;

3) le règle du Hund : les orbitales de même énergie sont d’abord occupés avec un électron,

avec le spin parallèle et puis occupés avec des électrons de spin anti-parallèle.

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Les électrons de la dernière couche (avec la valeur du « n » plus grande) sont nommés les

électrons de valence et sont très importants dans les réactions chimiques. Ils participent à la

formation de liaisons chimiques.

Ex : la configuration électronique du oxygène : (O ; Z=8)

1s2 2s

2 2p

4 – les indices supérieure du sous- couche indique le numéro d’électrons qui

occupent le niveau respectif.

La couche de valence (2) contient deux orbitales des électrons qui ne participent pas à la

formation de la liaison chimique et deux électrons non couples, très importants à la formation

de la liaison chimique.

Dans la représentation du Lewis, les électrons de la couche de valence sont représentés par

points autour du symbole chimique.

1.3. La classification périodique des éléments

Le tableau périodique des éléments, également appelé table de Mendeleev,

classification périodique des éléments (CPE) ou simplement tableau périodique, représente

tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction

de leur configuration électronique, de laquelle dépendent leurs propriétés chimiques.

Son invention est généralement attribuée au chimiste russe Dimitri Mendeleïev, qui

construisit en 1869 une table différente de celle qu'on utilise aujourd'hui mais similaire dans

son principe, dont le grand intérêt était de proposer une classification systématique des

éléments chimiques connus à l'époque en vue de souligner la périodicité de leurs propriétés

chimiques, d'identifier les éléments qui restaient à découvrir, et même de pouvoir prédire les

propriétés de ces éléments alors inconnus.

Le tableau périodique a connu de nombreux réajustements depuis lors jusqu'à prendre la

forme que nous lui connaissons aujourd'hui, et est devenu un référentiel universel auquel

peuvent être rapportés tous les types de comportements physique et chimique des éléments.

En février 2010, sa forme standard comportait 118 éléments.

Chaque ligne du tableau (appelée période) correspond à une couche électronique,

identifiée par son nombre quantique principal, noté n : il y a sept couches électroniques

connues à l'état fondamental, donc sept périodes dans le tableau périodique standard,

numérotées de 1 à 7. Chaque période est elle-même scindée en un nombre variable de blocs,

qui correspondent aux orbitales atomiques, identifiées par leur nombre quantique secondaire,

noté l : il y a quatre types d'orbitales atomiques connues à l'état fondamental, notées s, p, d et f

et pouvant contenir chacune respectivement 2, 6, 10 et 14 électrons ; c'est la raison pour

laquelle on parle de bloc s, bloc p, bloc d et bloc f.

Si l'on respecte la construction du tableau par blocs en fonction des orbitales atomiques,

l'hélium doit se trouver au-dessus du béryllium dans la colonne 2 (celle dont les atomes ont

une sous-couche externe ns2) et non au-dessus du néon dans la colonne 18 (dont les atomes

ont une sous-couche externe np6), comme c'est le cas dans la petite table ci-contre ; l'hélium

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est positionné usuellement dans la colonne 18 car c'est celle des gaz rares, dont il fait

chimiquement partie.

Toutes les sous-couches d'une période n'appartiennent pas forcément à la même

couche électronique (c'est le cas à partir de la quatrième période) : à partir de la troisième

couche électronique, les sous-couches d'une même couche sont en effet réparties sur plusieurs

périodes ; les électrons se distribuent en fait sur les différents niveaux d'énergie quantiques

autour de l'atome selon un principe d'Aufbau dans des sous-couches électroniques dont l'ordre

précis est donné par la règle de Klechkowski :

Règle de Klechkowski

Les cases quantiques sont les places dans les orbitales atomiques qui peuvent être

occupées par un électron, ou par une paire d'électrons de spin complémentaires.

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Une période désigne une ligne horizontale du tableau périodique.

- dans la partie gauche et centrale du tableau se trouvent les métaux qui sont solides

(exception Hg), avec quelques propriétés physiques et chimiques communes : ils

conduisent le courent électrique et ont la tendance de former des ions positives.

- A droite, on trouve les non-métaux, les unes solides (S, I, P), les autres gazeuses (N, Cl)

et un liquide (Br) avec des propriétés différents de celles des métaux. Ils sont des isolants

et ont la tendance de former des ions négatifs. Dans le cadre d’un période, le caractère

métallique se diminue vers la droite. Les propriétés des éléments varient généralement

beaucoup le long d'une période.

Un groupe désigne une colonne du tableau périodique.

Chacun des 18 groupes du tableau périodique standard (plus le 19ème

groupe des

éléments du bloc f, lanthanides et actinides) constitue souvent un ensemble d'éléments aux

propriétés bien distinctes des groupes voisins, notamment aux extrémités gauche et droite du

tableau périodique.

Tous les éléments dans une colonne ont des structures électroniques similaires, la

même configuration des sous-couches, mais un nombre plus en plus grande des couches. Les

groups des éléments peuvent être classifiés dans quatre catégories principales :

Les éléments représentatifs (les groupes IA – VIIIA) complètent les sous-couches s et p.

Group IA – les métaux alcalins - ont un électron de valence dans la sous-couche s.

Group IIA – les métaux alcalino-terreux – ont deux électrons dans la sous-couche s.

A partir du group IIIA jusqu’a VIIIA la sous-couche « p » est complétée (bloc p).

Tous ces éléments ont un numéro des électrons de valence égal au numéro du group. Les

éléments du group VIII (excepte l’He) les éléments ont 8 électrons sur la dernière couche. Ils

sont nommés les gaz nobles (rares).

Les métaux transitionnelles (groups IB – VIIIB) – ces éléments sont des métaux, le

bloc « d », ils complètent la sous-couche « d ».

Les lanthanides et actinides – bloc « f » - deux groups de 14 éléments, ils complètent

la sous-couche « f ».

Il y a une correspondance directe et systématique entre la disposition des éléments

dans le tableau périodique et l’ordre de complètement de niveaux électronique.

- le numéro des électrons de valence et toujours compris entre 1 et 8

- le numéro du période indique le numéro de couches dans l’atome.

Pb (Z = 82)

Pb : 1s22s

22p

63s

23p

64s

23d

104p

65s

24d

105p

66s

24f

145d

106p

2 Le group IVA, période 6.

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