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Atomistique Christian Mathieu Bureau C 006 christian. [email protected] fr Responsable de la licence professionnelle gestionnaire des déchets 1

Plan du cours 4 L’atome • • • La structure de l’atome L’atome selon

Plan du cours 4 L’atome • • • La structure de l’atome L’atome selon Bohr Introduction à la mécanique quantique L’atome à plusieurs électrons La classification périodique Propriétés des atomes 4 La liaison chimique 2

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Chimie Structurale 4

Chimie Structurale 4

Molécule de polyéthylène Image STM du benzène Le diamant 5

Molécule de polyéthylène Image STM du benzène Le diamant 5

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I –La structure de l’atome L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons Le noyau

I –La structure de l’atome L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons Le noyau est lui-même constitué de nucléons ( protons et neutrons). Un atome est représenté de la façon suivante X est l’élément considéré Z est le nombre de proton = Numéro atomique A = Nombre de masse ( Z + nombre de proton) q = nombre de charge 7

Notion d’élément Un élément est caractérisé par son nom X et par son numéro

Notion d’élément Un élément est caractérisé par son nom X et par son numéro atomique. Notion d’isotope Pour un numéro atomique donné, un isotope est caractérisé par son nombre de masse. Chaque isotope est un nucléide. 8

Un ion est une entité chargée anion (gain d’électrons) cation (perte d’électrons) Caractéristique de

Un ion est une entité chargée anion (gain d’électrons) cation (perte d’électrons) Caractéristique de l’électron, proton et neutron 9

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II- L’atome selon Bohr Les électrons qui gravitent autour du noyau ont des trajectoires

II- L’atome selon Bohr Les électrons qui gravitent autour du noyau ont des trajectoires bien spécifiques. Les électrons sont disposés en couches. Bohr a émis l’hypothèse que c’était des trajectoires circulaires. La couche K (n=1) peut contenir 2 électrons La couche L (n=2) peut contenir 8 électrons La couche M (n=3) peut contenir 18 électrons … Chaque électron se situant sur chaque couche a une énergie bien spécifique. 11

Comment calculer la valeur de l’énergie d’un niveau pour l’atome d’hydrogène? Chaque énergie se

Comment calculer la valeur de l’énergie d’un niveau pour l’atome d’hydrogène? Chaque énergie se calcule de cette manière: On obtient une énergie en électron-volt (e. V) Rappel: n: numéro de la couche (nombre quantique principal) En l’énergie des niveaux de l’électron. 12

Que se passe-t-il quand on apporte de l’énergie au système? Imaginons que l’on excite

Que se passe-t-il quand on apporte de l’énergie au système? Imaginons que l’on excite un gaz d’hydrogène par des courants électriques. L’électron gravitant autour du noyau va alors acquérir de l’énergie et va passer sur un niveau excité (du niveau n=1(niveau fondamental) au niveau n=3 par exemple). Apport d’énergie n=2 -3, 4 e. V n=1 -13, 6 e. V électron n=3 -1, 51 e. V noyau 13

Spectre d’émission de l’hydrogène Il y a émission de lumière (retour vers un niveau

Spectre d’émission de l’hydrogène Il y a émission de lumière (retour vers un niveau inférieure ou absorption (déplacement vers un niveau supérieur 14

Comment déterminer la longueur d’onde du photon émis? Tout d’abord calculons l’énergie du photon

Comment déterminer la longueur d’onde du photon émis? Tout d’abord calculons l’énergie du photon émis: son énergie va être la différence entre l’énergie du niveau initial( n=3) et l’énergie du niveau final (n=1) Dans notre cas l’énergie du photon vaut: L’énergie doit être positive que ce soit pour une émission ou une absorption 15

Or nous savons aussi que l’énergie du photon peut s’écrire: Avec h=constante de Planck

Or nous savons aussi que l’énergie du photon peut s’écrire: Avec h=constante de Planck = la fréquence du photon (et oui c’est une onde) en Attention: on obtient l’énergie du photon en e. V et h est en J… il faudra convertir une des deux valeurs. De plus on sait que: Donc la formule ci-dessus devient: 16

Ainsi dans notre cas la longueur d’onde du photon vaut: 17

Ainsi dans notre cas la longueur d’onde du photon vaut: 17

On peut aussi déterminer l’énergie d’ionisation de l’hydrogène Énergie entre le niveau n =

On peut aussi déterminer l’énergie d’ionisation de l’hydrogène Énergie entre le niveau n = 1 et le niveau n = infinie L’énergie s’écrit donc Ei = Einfini – E 1 = 0 – (-13. 6) = 13. 6 e. V Ce modèle a été étendu aux hydrogénoides (ion à 1 électron) En = -13. 6 Z 2 / n 2 En étudiant plus profondément l’atome et ses électrons on s’est rendu compte que l’organisation n’était pas aussi simple: dans les couches il y aurait des sous-couches, les trajectoires des électrons ne seraient pas si circulaires que ça…Ainsi est né la mécanique quantique. 18

III- Introduction à la mécanique quantique cette théorie dit schématiquement: on ne peut pas

III- Introduction à la mécanique quantique cette théorie dit schématiquement: on ne peut pas prédire exactement où se trouvera un électron à l’instant t, on ne pourra que le supposer; il s’agit d’une théorie probabiliste. Des nombres quantiques vont nous aider à déterminer « un volume » où on aura environ 95% de chance de trouver l’électron. Ces « volumes » seront appelés orbitales. Il existe quatre nombres quantiques: n: nombre quantique principal l: nombre quantique orbital m: nombre quantique magnétique s : nombre quantique de spin 19

Ex 1 balle de tennis m = 50 g v = 50 m/s et

Ex 1 balle de tennis m = 50 g v = 50 m/s et d. V = 1 mm/s dx =2. 1 10 -30 m Ex 2 electron m = 9. 1 10 -31 kg v = 10 6 m/s dx = 0. 12 m taille de l’atome 1 angström = 1 10 -10 m 20

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Equation de schrödinger 22

Equation de schrödinger 22

Equation de schrödinger 23

Equation de schrödinger 23

Les nombres quantiques Case quantique 24

Les nombres quantiques Case quantique 24

L’ensemble des électrons possédant le même n constitue une couche électronique Parmi les électrons

L’ensemble des électrons possédant le même n constitue une couche électronique Parmi les électrons possédant le même n, ceux qui possèdent le même l constitue une sous couche Parmi les électrons d’une même sous couche, ceux qui possèdent le même nombre m appartiennent à la même case quantique 25

Orbitale p Orbitale s Orbitale d Volume probabilité de 95 % de trouver l’é

Orbitale p Orbitale s Orbitale d Volume probabilité de 95 % de trouver l’é liaison 26

IV L’atome à plusieurs électrons L’organisation générales en niveau d’énergie est la même pour

IV L’atome à plusieurs électrons L’organisation générales en niveau d’énergie est la même pour tous les atomes. On cherche à placer Z électrons (atome neutre) sur les différents niveaux Écriture de la configuration électronique Une couche n contient 2 n 2 électrons à placer Un niveau n contient n 2 case quantique Une sous couche l contient 2 l+1 case quantique Une case quantique correspond à une valeur de m Une case quantique ne peut contenir au maximum que deux électrons 27

Remplissage des couches Principe de l’énergie minimale. Dans l’état fondamental, les électrons occupent les

Remplissage des couches Principe de l’énergie minimale. Dans l’état fondamental, les électrons occupent les niveaux d’énergie minimale. L’ordre de remplissage se fait suivant les valeurs de (n+l) croissant. En cas d’égalité c’est celle qui posséde la plus petite valeur de n qui se remplit la premiére. 1 s 2 s 2 p 3 s 3 p 4 s 3 d 4 p 5 s 4 d 5 p 6 s 4 f 5 d 6 p 7 s 5 f 6 d 7 p 1 s 2 s 2 p Regle de Klechkowski 3 s 3 p 3 d 4 s 4 p 4 d 4 f 5 s 5 p 5 d 5 f 6 p 6 d 6 s 7 s 7 p 28

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Exemples Ex du Fer: 26 électrons s p K d L M N 1

Exemples Ex du Fer: 26 électrons s p K d L M N 1 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 4 s 2 3 d 6 30

La couche de valence contient les électrons de la couche du nombre n le

La couche de valence contient les électrons de la couche du nombre n le plus élevé (couche externe) souvent ns 2 np 6 règle de l’octet (très utile en chimie organique). 31

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V La classification périodique Organisation Constitué de Bloc colonne famille ( même configuration terminale

V La classification périodique Organisation Constitué de Bloc colonne famille ( même configuration terminale ex ns 1) ligne couche 34

Classification périodique des éléments 11 16 17 18 1 2 3 4 10 35

Classification périodique des éléments 11 16 17 18 1 2 3 4 10 35

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La A 37

La A 37

Les familles à connaître Colonne 1 alcalin Li, Na, Cs donne des cations monovalents

Les familles à connaître Colonne 1 alcalin Li, Na, Cs donne des cations monovalents Colonne 2 alcalino-terreux Be, Mg, Ca Ba donne des cations divalents Colonne 16 chalcogène Colonne 17 halogène F, Cl , Br donne des anions monovalent Colonne 18 gaz noble Ne, Ar Xe règle de l’octet grande stabilité Famille élément de transition (plusieurs degrés d’oxydation) 38

Donne des cations 39

Donne des cations 39

IV Les propriétés des atomes Rayon atomique Énergie d’ionisation Affinité électronique Electronégativité 40

IV Les propriétés des atomes Rayon atomique Énergie d’ionisation Affinité électronique Electronégativité 40

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