CPGE Sciences Physiques

Un atome est composé de :

• Noyaux : lui-même composé de nucléons, c'est à dire de protons et de neutrons ;
• Électrons.

La notation $\ce{_29^63Cu}$ nous indique que l'élément cuivre a 29 protons, et que cet isotope comporte 63 nucléons, donc $63-29=34$ neutrons.

Deux noyaux de même nombre de protons, de nombre de charge $Z$, mais de nombre de nucléons, c'est-à-dire de nombre de masse $A$, différent sont dits isotopes.

On appelle transformation nucléaire une réaction de la matière qui modifie la structure des noyaux, c'est-à-dire la répartition des nucléons des divers noyaux impliqués.
Une transformation nucléaire conserve le nombre total de protons et de neutrons, mais perd de la masse sous forme d'énergie.

On appelle élément chimique la famille d’atomes dont le noyau compte le même nombre de protons $Z$ et incluant donc tous les isotopes.
Un élément chimique est désigné par son symbole chimique. $$\ce{_ZX}$$

On appelle molécule toute entité chimique électriquement neutre comprenant plus d'un atome.
On appele ion toute molécule ou atome portant une charge.

Une mole représente la quantité d'entités contenues dans $12~\text{g}$ de carbone $\ce{^12_6C}$, c'est-à-dire $N=\mathcal{N}_A$ entités où $\mathcal{N}_A=6,02\times 10^{23}~\text{mol}^{-1}$.

On appelle transformation chimique une transformation de la matière qui modifie la structure des entités chimiques sans modifier celle des noyaux.

Un échantillon macroscopique de matière est qualifié de corps pur s’il contient une seule espèce chimique.

On appelle solution un mélange dans lequel l’un des constituants, appelé solvant, est en très large excès par rapport à tous les autres, appelés solutés.

On appelle orbitale atomique une fonction d’onde possible pour un électron dans un atome.

• $l=0$ correspond à la lettre $s$, qui contient au maximum 2 électrons;
• $l=1$ correspond à la lettre $p$, qui contient au maximum 6 électrons;
• $l=2$ correspond à la lettre $d$, qui contient au maximum 10 électrons;
• $l=3$ correspond à la lettre $f$, qui contient au maximum 14 électrons.

Le principe d'exclusion de Pauli énoncé que deux électrons d'un même atome ne peuvent pas être dans le même état quantique, c’est-à-dire avoir leurs quatre nombres quantiques identiques.

La règle de remplissage de Klechkovski énonce que les niveaux d’énergie des orbitales atomiques sont remplis selon les valeurs croissantes de $n + l$, et à $n + l$ égal par valeurs croissantes de $n$

La règle de stabilité de Hund énonce que lorsqu’un niveau d’énergie dégénéré ne peut être complètement rempli, l’état fondamental est celui qui occupe le maximum d’orbitales atomiques, les spins des électrons non-appariés étant parallèles.

On appelle électrons de valence les électrons qui appartiennent à une sous-couche incomplète ainsi que ceux qui appartiennent aux sous-couches de $n$ le plus élevé.
Les autres électrons de l’atome sont appelés électrons de cœur.

Les règle de Pauli, Klechokovski et Hund permettent d'établir que : $$[\text{Fe}]~:~\underbrace{1s^2~2s^2~2p^6~3s^2~3p^6}_\text{électrons de cœur}\underbrace{~4s^2~3d^6}_\text{valence}$$ Cette espèce se trouve donc à la quatrième ligne (période), et $2+6=8^\text{e}$ colonne du tableau de la classification périodique.

Les atomes les plus stables sont ceux dont la couche de valence est complètement remplie. Une configuration dans laquelle la couche de valence est à moitié remplie est également très stable.
L’ion monoatomique préférentiellement formé est généralement le moins chargé qui permette d’obtenir une couche de valence vide, complète, ou éventuellement à moitié remplie.

La deuxième période est composée des éléments Lithium ($\ce{Li}$), Béryllium ($\ce{Be}$), Bore ($\ce{B}$), Carbone ($\ce{C}$), Azote ($\ce{N}$), Oxygène ($\ce{O}$), Fluor ($\ce{F}$), Néon ($\ce{Ne}$).

La colonne des halogènes est composée des éléments Fluor ($\ce{F}$), Chlore ($\ce{Cl}$), Brome ($\ce{Br}$), Iode ($\ce{I}$), Astate ($\ce{At}$).

La colonne rouge à gauche est la famille des métaux alcalins, la zone rouge clair est celle de la famille des métaux, la zone verte correspond à la famille des non-métaux. Dans la famille des non-métaux, la colonne verte est celle des halogènes et celle qui est vert sombre est celle des gaz nobles.

Une liaison covalente est la mise en commun de deux électrons par deux atomes, ce qui forme un doublet liant partagé entre les atomes.

Les électrons de valence des éléments de la deuxième période sont représentés dans le tableau ci-dessous :

Lors de la formation de molécules, l’hydrogène s’entoure de deux électrons, soit un seul doublet.

Lors de la formation de molécules, les éléments de la deuxième période tendent à s’entourer de huit électrons, soit quatre doublets. Les éléments de la troisième période tendent à s’entourer de huit électrons mais peuvent aller jusqu’à 18.

En plus des électrons de cœur, le nombre d’électrons entourant les atomes de la troisième période au sein d’une molécule est souvent égal à 8 mais peut aller jusqu’à 18.

La structure demandée est la suivante :

La structure demandée est la suivante :

La structure demandée est la suivante :

On appelle charge partielle une charge électrique inférieure en valeur absolue à la charge élémentaire qui témoigne de l'asymétrie de la distribution des électrons dans une liaison chimique. En fonction du signe de la charge, on la note&nbps;:$$\delta^+\text{ ou }\delta^- $$

L'électronégativité relative des éléments chimiques d'une liaison est responsable d'une asymétrie de la distribution de charge et donc d'une polarisation.

On appelle moment dipolaire $\vec{\mu}$ d’une liaison le vecteur dirigé parallèlement à la liaison ; orienté de l’atome chargé $\delta^-$ vers celui chargé $\delta^+$ ; de norme $$\left\|\vec{\mu}\right\|=\delta\times e\times\ell$$ où $\ell$ est la longueur de liaison.

Le moment dipolaire $\vec{\mu}$ d’une molécule est la somme vectorielle des moments dipolaires de ses liaisons.

Une liaison hydrogène est une force intermoléculaire qui s'établit entre l'atome d'hydrogène d'une liaison polarisée et le doublet non liant de l'atome d'oxygène ou d'azote d'une autre molécule.

Une espèce est qualifiée de protique si elle peut former des liaisons hydrogène, et d’aprotique dans le cas contraire.

Les températures de changement d’état d’un corps pur sont d’autant plus élevées que les interactions intermoléculaires au sein de ce corps pur sont fortes.

Un mélange se fait d'autant plus efficacement que le solvant et le soluté ont les mêmes propriétés (proticité, interactions moléculaires).

On distingue les modèles cristallins et amorphes des solides.

Le modèle du cristal parfait consiste à supposer l’empilement infini, parfaitement ordonné et périodique de sphères dures (c'est à dire impénétrables et indéformables), de rayon $R$ appelé rayon cristallin de l’espèce chimique.

On appelle maille la plus petite unité de pavage de l’espace permettant de reproduire toute la structure cristalline par juxtaposition.

On appelle maille CFC, toute maille cubique, de paramètre de maille unique $a$, dans laquelle les motifs sont placés aux sommets et au centre de chacune des faces qui compose le cube.

On appelle population d’une maille le nombre de motifs lui appartenant en propre.
Pour une maille CFC, la population vaut : $$P=8\times\frac{1}{8}+6\times\frac{1}{2}=4$$

On appelle coordinence ou indice de coordination d’un atome le nombre de plus proches voisins qu’il possède au sein du cristal. Si tous les atomes ont la même coordinence, on l’appelle alors coordinence du réseau.
Pour un atome de CFC métallique on a : $$C=12$$

On appelle compacité d’une structure cristalline la proportion du volume réellement occupé par de la matière : $$ C =\dfrac{\text{volume de matière}}{\text{volume total}}$$ Pour un cristal métallique CFC, elle vaut : $$C=\dfrac{\pi\sqrt{2}}{6}\simeq 0,74$$

On appelle masse volumique d’une maille la grandeur : $$\rho=\dfrac{\text{masse d'une maille}}{\text{volume de la maille}}$$

On appelle sites interstitiels ou sites cristallographiques les espaces vides au sein d’une structure cristalline dans lesquels d’autres atomes peuvent s’insérer.

Les sites octaédriques de la structure CFC se trouvent en deux types de position :

• au centre du cube ;
• au milieu de chaque arête.

Leur population est : $$P_O=1+12\times\dfrac{1}{4}=4$$

Les sites tétraédriques de la structure CFC se trouvent au centre de chaque cube huitième de la maille.

Leur population est : $$P_T=8\times 1=8$$

Les métaux sont caractérisés par :

• une température de fusion élevée ;
• une bonne conductivité électrique et thermique ;
• des propriétés mécaniques de dureté et de malléabilité.

Les cristaux ioniques sont caractérisés par :

• une température de fusion élevée ;
• une mauvaise conductivité électrique et thermique ;
• des propriétés mécaniques de dureté mais pas de malléabilité ;
• une forte solubilité dans les solvants polaires comme l'eau.

Les cristaux covalents (moléculaires) sont caractérisés par :

• une température de fusion faible ;
• une mauvaise conductivité électrique et thermique ;
• des propriétés mécaniques de faible dureté mais de relative malléabilité.