Structure et propriétés atomiques

Objectif d'apprentissage 1.1.A : Calculer les quantités d'une substance ou son nombre relatif de particules en utilisant l'analyse dimensionnelle et le concept de mole.

• 1.1.A.1 On ne peut pas compter directement les particules lors d'un travail de laboratoire. Il doit donc exister un lien entre les masses des substances qui réagissent et le nombre réel de particules subissant des changements chimiques.
• 1.1.A.2 Le nombre d'Avogadro ($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$) établit le lien entre le nombre de moles dans un échantillon pur d'une substance et le nombre de particules constitutives (ou unités de formule) de cette substance.
• 1.1.A.3 Exprimer la masse d'un atome ou d'une molécule individuelle en unités de masse atomique (uma) est utile car la masse moyenne en uma d'une particule (atome ou molécule) ou d'une unité de formule d'une substance sera toujours numériquement égale à la masse molaire de cette substance en grammes. Ainsi, il existe une connexion quantitative entre la masse d'une substance et le nombre de particules qu'elle contient.
  • Équation : $n = m/M$

Objectif d'apprentissage 1.2.A : Expliquer la relation quantitative entre le spectre de masse d'un élément et les masses des isotopes de cet élément.

• 1.2.A.1 Le spectre de masse d'un échantillon contenant un seul élément peut être utilisé pour déterminer l'identité des isotopes de cet élément ainsi que leur abondance relative dans la nature.
• 1.2.A.2 La masse atomique moyenne d'un élément peut être estimée à partir de la moyenne pondérée des masses isotopiques en utilisant la masse de chaque isotope et son abondance relative.
  • Déclaration d'exclusion : L'interprétation des spectres de masse d'échantillons contenant plusieurs éléments ou de pics provenant d'espèces autres que des ions monoatomiques chargés simplement ne sera pas évaluée à l'examen AP.

Objectif d'apprentissage 1.3.A : Expliquer la relation quantitative entre la composition élémentaire par masse et la formule empirique d'une substance pure.

• 1.3.A.1 Certaines substances pures sont composées de molécules individuelles, tandis que d'autres consistent en des atomes ou des ions maintenus ensemble dans des proportions fixes décrites par une unité de formule.
• 1.3.A.2 Selon la loi des proportions définies, le rapport des masses des éléments constitutifs dans n'importe quel échantillon pur de ce composé est toujours le même.
• 1.3.A.3 La formule chimique qui liste le plus petit ratio de nombres entiers d'atomes des éléments dans un composé est la formule empirique.

Objectif d'apprentissage 1.4.A : Expliquer la relation quantitative entre la composition élémentaire par masse et la composition des substances dans un mélange.

• 1.4.A.1 Les substances pures contiennent des atomes, des molécules ou des unités de formule d'un seul type. Les mélanges contiennent des atomes, des molécules ou des unités de formule de deux types ou plus, dont les proportions relatives peuvent varier.
• 1.4.A.2 L'analyse élémentaire peut être utilisée pour déterminer les nombres relatifs d'atomes dans une substance et pour déterminer sa pureté.

Objectif d'apprentissage 1.5.A : Représenter la configuration électronique de l'état fondamental d'un atome d'un élément ou de ses ions en utilisant le principe d'Aufbau.

• 1.5.A.1 L'atome est composé d'électrons chargés négativement et d'un noyau chargé positivement constitué de protons et de neutrons.
• 1.5.A.2 La loi de Coulomb est utilisée pour calculer la force entre deux particules chargées.
  • Équation : $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
• 1.5.A.3 Dans les atomes et les ions, les électrons peuvent être considérés comme étant situés dans des « couches (niveaux d'énergie) » et des « sous-couches (sous-niveaux) », tel que décrit par la configuration électronique de l'état fondamental. Les électrons internes sont appelés électrons de cœur, et les électrons externes sont appelés électrons de valence. La configuration électronique s'explique par la mécanique quantique, telle que délimitée par le principe d'Aufbau et illustrée dans le tableau périodique des éléments.
  • Déclaration d'exclusion : L'attribution de nombres quantiques aux électrons dans les sous-couches d'un atome ne sera pas évaluée à l'examen AP.
• 1.5.A.4 L'énergie relative requise pour arracher un électron de différentes sous-couches d'un atome ou d'un ion, ou de la même sous-couche dans différents atomes ou ions (énergie d'ionisation), peut être estimée par une application qualitative de la loi de Coulomb. Cette énergie est liée à la distance du noyau et à la charge effective (masquée) du noyau.

Objectif d'apprentissage 1.6.A : Expliquer la relation entre le spectre photoélectronique d'un atome ou d'un ion et : i. La configuration électronique de l'état fondamental de l'espèce. ii. Les interactions entre les électrons et le noyau.

• 1.6.A.1 Les énergies des électrons dans une couche donnée peuvent être mesurées expérimentalement par spectroscopie photoélectronique (SPE). La position de chaque pic dans le spectre SPE est liée à l'énergie requise pour arracher un électron de la sous-couche correspondante, et la hauteur relative de chaque pic est (idéalement) proportionnelle au nombre d'électrons dans cette sous-couche.

Objectif d'apprentissage 1.7.A : Expliquer la relation entre les tendances des propriétés atomiques des éléments et la structure électronique et la périodicité.

• 1.7.A.1 L'organisation du tableau périodique repose sur des motifs de propriétés récurrentes des éléments, expliqués par des motifs de configurations électroniques de l'état fondamental et la présence de couches (et de sous-couches) d'électrons complètement ou partiellement remplies dans les atomes.
  • Déclaration d'exclusion : L'écriture de la configuration électronique des éléments qui sont des exceptions au principe d'Aufbau ne sera pas évaluée à l'examen AP.
• 1.7.A.2 Les tendances des propriétés atomiques au sein du tableau périodique (périodicité) peuvent être prédites par la position de l'élément dans le tableau périodique et comprises qualitativement en utilisant la loi de Coulomb, le modèle des couches et les concepts de blindage et de charge nucléaire effective. Ces propriétés incluent :
  • i. Énergie d'ionisation
  • ii. Rayons atomiques et ioniques
  • iii. Affinité électronique
  • iv. Électronégativité.
• 1.7.A.3 La périodicité (en 1.7.A.2) est utile pour prédire/estimer des valeurs de propriétés en l'absence de données.

Objectif d'apprentissage 1.8.A : Expliquer la relation entre les tendances de réactivité des éléments et la périodicité.

• 1.8.A.1 La probabilité que deux éléments forment une liaison chimique est déterminée par les interactions entre les électrons de valence et les noyaux des éléments.
• 1.8.A.2 Les éléments d'une même colonne du tableau périodique ont tendance à former des composés analogues.
• 1.8.A.3 Les charges typiques des atomes dans les composés ioniques sont régies par le nombre d'électrons de valence et prédites par leur emplacement dans le tableau périodique.