21438172320

Structuredel'atomeexercicescorrigéspdf
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Structuredel'atomeexercicescorrigéspdf4eme.
Structuredel'atomeexercicescorrigéspdf3emecollege.Exercicescorrigéssurlastructureélectroniquedel'atomepdf.Structuredel'atomeexercicescorrigéspdfeb9.Structuredel'atomeexercicescorrigés
pdf3ème.Exercicescorrigéssurlastructuredel'atomepdf.Structuredel'atomeexercicescorrigéspdf3eme.
Introduction:Lamatièrequinousentoureestconstituéed’uneinfinitéd’atomes.Nousallonsnousintéresseràleurstructurecomplexe.Eneffet,lesatomessontcomposésd’élémentsinfinimentpetits,cequiestremarquablesionconsidèreleurtaille.Nousappelleronscesélémentsdesparticules.Danscecours,nousallonsétudierlesparticules
composantl’atomeencommençantparsonnoyau.Nousnousintéresseronsensuiteauxélectronset,enfin,nousverronsl’atomedanssaglobalitéavecunschémarécapitulatif.Selonlesreprésentationsactuelles,lenoyaud’unatomeauneformesphériqueetoccupeuneplacecentraledansl’atome.Ladimensiondunoyauestdel’ordrede
$10^{-15}\\text{m}$,cequiestdérisoirecomparéeàcelledel’atomequiestdel’ordrede$10^{-10}\\text{m}$,soit$0,1$nanomètre.Onpeutdoncendéduirequelenoyauest100000foispluspetitquel’atome,car:$\dfrac{\text{dimension}_{\text{atome}}}{\text{dimension}_{\text{noyau}}}=\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}=10^5$On
comparesouventl’atomeàunterraindefootball,etlenoyauàuneabeilleposéedessus.Cependant,laquasi-totalitédelamassedel’atomesetrouvedanslenoyau.DéfinitionNoyauatomique:Lenoyauestlapartiecentraledel’atome.Ilestconstituédeparticulesappeléesnucléons.Ilexistedeuxtypesdenucléons:lesprotonsetlesneutrons.
DéfinitionProton:Unprotonestuneparticuledunoyauatomiquequiporteunechargeélectriquepositive.DéfinitionNeutron:Unneutronestuneparticuledunoyauatomique,quiestélectriquementneutre.Lenoyaupossèdedoncunechargeélectriqueapportéeparlesprotons,ilestchargépositivement.Lesneutronssontreprésentésicipardes
rondsbleusetlesprotonspardesrondsrouges.Onnote$\text{Z}$lenombredeprotonsd’unatome,ilestaussiappelénuméroatomique,etonnote$\text{A}$lenombredenucléons.Lenuméroatomique$\text{Z}$estsouventindiquéenhautàgauchedusymboledechaqueatomedanslaclassificationpériodiquedeséléments.Lenombrede
masse$\text{A}$estindiquéenhautàdroitedesonsymbole.ÀretenirIlestdoncpossiblededéterminerlenombredeneutrons,pourcelailfautsoustrairelenombredeprotonsaunombretotaldenucléonssoit:$\text{nombredeneutrons}=\text{nombredenucléons(A)}-\text{nombredeprotons(Z)}$AttentionIlestparfoispossibledetrouver
lareprésentationsymboliqued’unatomedesymbole$\text{X}$écritedelafaçonsuivante:$^\text{A}_\text{Z}\text{X}$.L’exempledel’atomedechlore,desymbole$\text{Cl}$Dansletableau,nousnotonsque:$\text{Z}=17$et$\text{A}=35$.Lechlorepossèdedonc17protonsdanssonnoyau.Sonnombredenucléonsestégalà35.
$\text{nombredeneutrons}=\text{nombredenucléons(A)}-\text{nombredeprotons(Z)}$$\text{nombredeneutrons}=35-17=18$L’atomedechlorecontientdonc18neutrons.L’exempledel'atomed’hydrogène,desymbole$\text{H}$Nousrepéronsdansletableauque$\text{Z}=1$et$\text{A}=1$.Autrementdit,l’hydrogènepossède
1protondanssonnoyau.Parcontre,iln’apasdeneutroncar$\text{A}=\text{Z}=1$.Pourêtrestable,unatomedoitêtreélectriquementneutre,sonnoyauétantchargépositivement,desparticulesnégativessontnécessairespourcompensercedernier.C’estlerôledesélectrons.Endehorsdunoyau,ontrouvelesélectronsquiformentlenuage
électronique.DéfinitionÉlectron:Unélectronestuneparticuleélémentairedechargeélectriquenégativequigraviteautourdunoyaudel’atome.Lesélectronstournentdanslevideautourdunoyau.Ilsnes’éloignentjamaisdunoyaucarleschargespositivesdesprotonsattirentleschargesnégativesdesélectrons.ÀretenirL’atomeest
électriquementneutre,ilcontientdoncautantdeprotonschargéspositivementqued’électronschargésnégativement.Ilestpossiblededéduirelenombred’électronsd’unatomeàpartirdunombredeprotons.ExempleLechlorecontient17protons,ilyaparconséquent17électronsquigravitentautourdesonnoyau.L’atomed’hydrogènepossède
1protonet1électronquitourneautourdesonnoyau.Bilandesconnaissancessurl’atomeDéfinitionAtome:Unatomeestunélémentindivisibleconstitutifdelamatière.Ilestconstituéd’unnoyauetd’électronsquitournentautourdunoyau.Unatomeestélectriquementneutre.ÀretenirChaqueatomeestcaractériséparunnuméroatomique
$\text{Z}$etunnombredenucléons$\text{A}$inscritsdansletableaupériodiquedeséléments.Àpartirdutableaupériodiquedesélémentsetdespropriétésdel’atomequenousvenonsdevoir,onpeutdoncconnaîtretouteslesprincipalescaractéristiquesd’unatome:$\text{numéroatomiqueZ}=\text{nombredeprotons}=\text{nombre
d'électrons}$$\text{nombredenucléonsA}=\text{nombredeprotons}+\text{nombredeneutrons}$Lastructuredel’atomeestditelacunaire,c’est-à-direqu’entrelenoyauetlenuaged’électrons,ilyaduvide,soituneabsencedematière.Plusunatomepossèdeunnombredemasse$\text{A}$élevé,plusilestlourd.Eneffet,lamassed’un
atomeestessentiellementdueàcelledesnucléonsquileconstituent.Lesatomeslespluslégersontétéforméslorsdespremierstempsquiontsuivilebigbang(hydrogène,hélium);certainsautres,pluslourds,sesontformésaucœurdesétoilespardesréactionsdefusionnucléaire(carbone,oxygène,azote,fer).Conclusion:Unatomeestcomposé
d’unnoyaucentral,chargépositivementautourduquelgravitentdesélectrons,chargésnégativement.Unatomeprésenteunechargeglobaleneutrepuisquelenombredeprotonsesttoujourségalaunombred’électrons.
Enfin,letableaupériodiqueestd’unegrandeutilitécar,pourchaqueatome,ilindiquelenombredemasse$\text{A}$ainsiquesonnuméroatomique$\text{Z}$.PasseraucontenuL’absorptionetémissionatomiquesontdeuxfacettesd’unemêmepropriétéénoncéeparKirchhoff»Uncorps,soumisàcertainesconditionsd’excitation,nepeut
émettrequedesradiationsqu’ilestsusceptibled’absorberdanslesmêmesconditions«.Lestechniquesd’absorptionetd’émissionatomiquesontbaséessurl’absorptionoul’émissiondesradiationspardesatomesàl’étatdevapeur.Lesradiationssontdudomainedel’U.Vouduvisible.Lesméthodesd’absorptionetd’émissioncomportent3étapes:
Obtentiond’atomesàl’étatdevapeur=atomisation(souventparénergiethermique).Apportd’énergieàcesatomespourlesfairepasseràunétatexcité(sousformethermiquepourl’émissionatomiqueetsousformederayonnementélectromagnétiquepourl’absorptionatomique).Mesuredel’énergie.Mesuredel’énergieémise:I_\text{émise}=k
\cdotC(Émissionatomique)Mesuredel’énergieabsorbée:A=\log\dfrac{I_0}{I_t}=k\cdotC(Absorptionatomique)Cesméthodespermettent:Enémissionatomique:L’identificationducomposé:spectrecaractéristiquedel’élément.Enémissionetenabsorptionatomique:Ledosagecarl’intensitédesraiesabsorbéesouémisesestliéeàla
concentrationdel’élément.Unatomeestconstituéd’unnoyauchargépositivementautourduquelgravitentdesélectrons.Al’intérieurdunoyau,ontrouvedesprotonsetdesneutrons.Lenombredeprotonsetd’électronsestlemême=Z(numéroatomique).Lesélectronsautourdunoyausontdéfinisparlesnombresquantiquesn:nombrequantique
principal:]caractériselacouche:n=1,2,3,…(K,L,M,…)l:nombrequantiquesecondaire]caractériselesorbitalesousouscouchess,p,detf:0\leql\leqn-1m:nombrequantiquemagnétique]-l\leqm\leq+ls:nombrequantiquedespin]caractériselesensdel’orientationdel’électrons=\pm\dfrac{1}{2}PrincipedePauli:Ilnepeutexisterdeux
électronsdonttouslesnombresquantiquessontidentiquesRèglesimple:onaleremplissagedesniveauxélectroniquessilenombrequantiqueprincipaln+lenombrequantiquesecondairelleplusbas:n+lDanslecasn+lsontégalesoncommenceparnleplusfaibleNa:1s^22s^22p^63s^1Ons’intéresseseulementauxélectronsdevalence
doncàl’électron3s^1danslecasdeNa.Pouravoirunetransitionélectronique,l’énergied’excitationdoitcorrespondreexactementàladifférenced’énergieentredeuxorbitales.L’électronpeutpasserde3sà3pouà4p(latransition3sà4dparexemplen’estpaspermise).Règlesimple:onatransitionsilenombrequantiquesecondairevariede±
1:\Deltal=\pm1%\begin{table}[h!]%ntering%\begin{tabular}{cccc}%[/latex]{n_1s\rightarrown_2s}&%{n_1p\rightarrown_2p}&%{n_1d\rightarrown_2d}&%{n_1f\rightarrown_2f}\%{n_2s\rightarrown_2p}&%{n_2p\rightarrown_2d}&%{n_2d\rightarrown_2f}&%{n_1d\rightarrown_2p}&
[/latex]%\end{tabular}%\caption{Exempledetransitionpermises}%\end{table}Duniveau4p,l’électronaplusieurspossibilitéspourreveniràl’étatfondamental:directementouparbondssuccessifs.l’électronrevientà3senperdantdel’énergiesousformethermiqueouenémettantuneàplusieursradiationsélectromagnétiques.
Enregardantlediagramme,onvoitquel’onauradesraiesd’absorptionetd’émission.Lenombrederaiesestplusimportantàl’émissionqu’àl’absorption(oùilestlimitéparlesrèglesdesélection)\Longrightarrowspectred’émissionplusriche.Onadesraiesdédoublées(2raiesd’absorptionpourchaquetransition).3s\longrightarrow3p3s
\longrightarrow4p589,59nm330,30nm589,60nm330,23nmOnalemêmephénomènepourlesraiesd’émission.Dédoublementdûauspin(s=+1/2ou–1/2)Parmilestransitionsélectroniques,unetransitioncorrespondaupassagedel’étatfondamentalauniveaud’énergieimmédiatementsupérieur,puisretourauniveauleplusbas.C’estlaraie
derésonance:transitionlaplusprobable.Na:3s\longrightarrow3p\longrightarrow3sRaiederésonance.Cetteraieesttoujourscaractéristiqued’unélément;c’estlaplusintense.Dansl’exempleduCa,ellesesitueà422,7nm.Ilyabeaucoupdepics:422,7nm:raielaplusintense;ellecorrespondàladifférenced’énergielaplusfaibleentrele
niveaufondamentaletlepremierniveaud’énergieexcité:résonance.Autresraies:niveauxsupérieur.Onn’apasaffaireàdesraiesmaisàdespics.l’élargissement\Deltauestmesuréeàmi-hauteurdupic.\varDeltauestdûàlavitessedel’atomeetauchampélectriqueoùilsetrouve.Enfonctiondeleurvitesse,lesatomesdonnerontdesraiesde
longueursd’ondedifférentes.Lavariationde\lambda(\Delta\lambda)entrelaraieobservéepourunatomeet[/latex]\lambda[/latex]moyenne(\lambda_m)estdonnéepar:
Δλ=λm⋅VC⋅cosθ
\begin{tabular}{lp{14cm}}[/latex]V[/latex]:&vitessedel'atomeconsidéré\\C:&vitessedelalumière\\[/latex]\theta[/latex]:&angled'observationparrapportàlatrajectoiredel'atome.\end{tabular}
C’estleprincipeduradardelapolice:connaissant\lambda_m,\theta,onmesure\Delta\lambdaetondéduitV.Lorsquelapressionaugmente,lescollisionsentrelesatomessontplusnombreuses;celaimpliqueuneaugmentationdeladispersiondesvitessesdesatomes\Longrightarrowélargissement.
effetStarkLorsquel’onplaceunatomedansunchampélectrique,laraieconsidéréesedécomposeenplusieursraiesrépartiessymétriquementautourdelaraiethéorique.Onconsidèreseulementlaraiederésonance(maiscelaestvraipourtouteslesraies).Onconstatequeladifférenced’énergie(\DeltaE)entreleniveaud’énergieleplusbaset
celuijustesupérieur,augmentedegaucheàdroitedanslaclassificationpériodique(desalcalinsauxgazrares).
Δλ= ⋅ ⋅cos θ
λ
m
V
C

Lalongueurd’onde(nm)delaraiederésonancediminue:1A2A3B4B5B7BNaMgAlSiPCl589285214<200<200<200N.B:onnepeutpasmesurerdansl’UVendessousde200nmcarlesgazatmosphériquesabsorbent(onnepeutpasdoserdesélémentscommeSi,P,Cl).\DeltaEdiminuedehautenbasdansungroupeIlpeutêtreenvisagéàpartirde
laloideBoltzmann:
Lenombred’atomesàl’étatexcitéNidécroîtdefaçonexponentiellequandladifférenced’énergieentrel’étatfondamentaletl’étatexcitéaugmente.\DeltaEaugmentedegaucheàdroiteetdebasenhautdanslaclassificationpériodique.
2000°C\dfrac{N_i}{N_0}Na5\cdot10^{-6}Zn7,3\cdot10^{-15}Conséquences:Ondoseenémissionatomique,facilementlesélémentssituésàgaucheetenbasdanslaclassificationpériodique,puisquepouravoiruneraied’émission,ilfautdenombreuxélectronsàl’étatexcitée.Lenombred’atomesàl’étatexcitéaugmentequandlatempérature
augmente.3000°C\dfrac{N_i}{N_0}Na3\cdot10^{-4}Zn5,6\cdot10^{-10}Lasensibilitédesméthodesàl’émissionaugmentelorsquelatempératureaugmente.Lastabilitédelatempératureestuneconditionindispensablelorsquel’onfaitunemesured’autantque\DeltaEestgrande.Lavariationde1000°Centraîneunesensibilité60foisplus
grandepourNaet70000foispourZn.Enabsorptionatomique,onapplique.laloideBeer–Lambert:\begin{align}A=\log\dfrac{I_0}{I_t}=k\cdotC\end{align}Conditions:PhasevapeurFlammeoufourEnémission,l’intensitédelalumièreémiseestdirectementproportionnelleàlaconcentrationdel’élémentàdoser.I_{\text{émise}}=
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