ATOMISTIQUE MPCI 2024_2025 Dr COMBERE épse SANFO O.G: Connaitre les notions de base de chimie pour la description de la répartition des électrons et les conséquences de cette répartition sur les propriétés physico-chimiques des éléments Plan du cours • Chapitre 1 : Rappel des notions fondamentales • Chapitre 2 : Radioactivité • Chapitre 3: Description quantique de l’atome d’hydrogène • Chapitre 4 : Configuration électronique des atomes • Chapitre 5 : classification périodique des éléments chimiques Chapitre 1: Rappel des notions fondamentales Structure de l’atome • Généralement on observe que la matière peut être fragmentée. • Exemple : - une goutte d'encre colore 1 litre d'eau. • un solide peut être finement broyé. • un liquide peut être pulvérisé. Conclusion : la matière est divisible, mais il y a une limite à la division. Cette limite est appelée atomes qui découle du nom grec « atomos » qui signifie indivisible. Structure de l’atome • Par définition l'atome est l'entité la plus petite et l'unité de base en chimie. Electriquement neutre dans son état fondamental, l'atome est composé de noyau et des électrons. Ces derniers sont en mouvement rapide autour du nucléide, une représentation qui ressemble aux planètes du système solaire autour du soleil. • Le noyau est composé de nucléons, terme qui désigne à la fois les protons et les neutrons de charge électrique positive et nulle respectivement. • Les électrons (charge électrique négative) gravitent autour du noyau dans un espace (nuage ou cortège électronique), très grand par rapport au volume du noyau. Structure de l’atome Structure de l’atome • Représentation de l’atome: • Z est le numéro atomique et correspond au nombre de protons dans un noyau. • A est le nombre de masse, et correspond à la somme des N neutrons et de Z protons. • A = Z + N d’où le nombre de neutrons : N=A-Z Structure de l’atome Rappel des notions Masse atomique • La masse de l’atome est de l’ordre de 10-27 Kg, une unité mal adaptée pour exprimer la masse des atomes. • Pour cela les chimistes ont proposé une nouvelle unité, dite unité de masse atomique (u.m.a ou u). • Cette unité est plus adaptée au système microscopique et est définit comme le douzième de la masse d’un atome de 12C non lié, au repos et dans son état fondamental. Rappel des notions La masse molaire • Une mole d’atome : c’est un paquet d’atomes refermant NA atomes. • Le nombre d’Avogadro NA est le nombre d’atomes réels contenus dans 12 g de carbone 12. • La masse molaire d’un élément est la masse d’une mole de cet élément exprimée usuellement en g/mole. Rappel des notions • La masse molaire moléculaire est la masse d’une mole de molécules. Elle est égale à la somme des masses atomiques des éléments qui la constituent. Rappel des notions • ISOTOPES: Deux atomes d’un même élément chimique X sont dits isotopes s’ils possèdent le même numéro atomique Z et différent par leurs nombre de masse (i.e. nombre de neutron différent). • Les isotopes d’un même élément chimique ont toujours des propriétés physico-chimiques très voisines. • Il existe à peu près 1200 isotopes dont environ 300 sont stables. Rappel des notions Rappel des notions • Un ion est un atome ou une molécule qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons. • Lorsqu’on passe d'un atome à un ion, le nombre de protons et de neutrons reste invariable, le noyau n'est pas modifié et la représentation symbolique de l'atome ne change pas. • En perdant des électrons, les atomes se transforment en entités chargées positivement, appelées cations : Na+ • En gagnant des électrons, les atomes se transforment en entités chargées négativement, appelées anions : O2- Chapitre 2: RADIOACTIVITE Définition • La radioactivité, découverte en 1896 par Henri Becquerel. • Radioactivité: c’est la transformation des noyaux atomiques au cours desquels un rayonnement est émis. • La radioactivité est une réaction dite nucléaire car elle concerne le noyau de l’atome par opposition aux réactions chimiques qui ne concernent que le cortège électronique sans modifier le noyau. • Ainsi, un nucléide peut se transformer ou se désintégrer de façon : • spontanée, non provoquée, on parlera alors d’une radioactivité naturelle • non spontanée, provoquée, on parlera alors d’une radioactivité artificielle • Remarque: Le rapport entre le nombre de proton et le nombre de neutron est le facteur principal qui va fixer la stabilité ou l'instabilité d'un nucléide donné. Stabilité des noyaux • La désintégration radioactive spontanée d’un noyau instable X (dit noyau père) conduit à un noyau Y (dit noyau fils) avec émission de particule α ou β ou des rayonnements électromagnétiques γ. Types de radio activité • Il existe trois formes de radioactivité (fonction du rayonnement émis): • Radioactivité alpha (a ); • Radioactivité bêta (b-); • Radioactivité bêta (b+) Radioactivité alpha (a ) • Radioactivité alpha (a ): concerne essentiellement les éléments "lourds" de numéro atomique Z > 83. Ici, le nombre des protons et celui des neutrons sont modifiés simultanément par émission de particules (noyaux d'Hélium 4). Radioactivité alpha (a ) • Exemple: • Les particules alpha (a ) sont arrêtées par quelques centimètres d’air ou par une feuille de papier, mais elles sont très ionisantes et donc dangereuses. Radioactivité bêta (b-) • Cette forme de radioactivité concerne les isotopes instables qui possèdent un excès de neutrons et sont donc situés au- dessus de la zone de stabilité. De tels noyaux chercheront à se stabiliser en augmentant Z et en diminuant N. • Radioactivité bêta (b-) • NB: Il n’y a pas d’électron dans le noyau, mais le noyau peut en en émettre en transformant un neutron excédentaire en un électron et un proton suivant le bilan: Les particules b- sont assez peu pénétrantes. Elles sont arrêtées par quelques millimètres d’aluminium. Radioactivité bêta (b+) • De tels noyaux chercheront à se stabiliser en augmentant N et en diminuant Z. Le positon est l'anti-particule de l'électron, il possède une même masse et une charge opposée à celui-ci. Exemple: Radioactivité bêta (b+) • Réaction de formation des particules b+ ou positon: • Cette radioactivité ne concerne que les noyaux artificiels, obtenus par des réactions nucléaires, qui possèdent trop de protons. Le proton excédentaire se transforme en un positon et un neutron. Rayons gamma • Le noyau fils Y est en général obtenu dans un état excité (niveau d’énergie élevé), il est noté Y* (noyau fils excité). • Cet état est instable, le noyau se désexcite en évacuant cette énergie excédentaire en émettant un rayonnement électromagnétique g. Rayons gamma Rayons gamma • Le rayonnement électromagnétique g représente une particule très énergétique appelée photon, ne possédant ni masse ni charge mais une énergie E=hu). • L’émission de la particule g ne modifie ni le numéro atomique, ni le nombre de masse. Seule la masse atomique diminue d’une quantité équivalente à l’énergie hu du rayonnement émis. Rayons gamma • Exemple Rayons gamma • Ainsi, la transformation du noyau père au noyau fils stable s’accompagne généralement avec émission d’un rayonnement électromagnétique g . • Les rayons gamma ont une forte pénétration. Ils ne sont pas déflatés par les champs électriques et magnétiques. Ils sont bien moins ionisants. Radioactivité artificielle • C’est une radioactivité provoquée par bombardement de particules (a, 1p, 1n, etc.) appelées projectiles sur le noyau (la cible). • Exemple: Radioactivité artificielle • Calcul de l’énergie: Famille radioactive • Si le noyau formé est radioactif, il se produit une série de désintégration de celui ci jusqu'à ce que le noyau formé soit stable. • On appelle « famille radioactive » l’ensemble de ces radionucléides formés. • Il existe quatre (4) familles radioactives: • 3 familles radioactives naturelles qui aboutissent toutes à la formation d’un isotope stable : le Plomb (Pb); • 1 famille radioactive artificielle qui conduit à la formation du noyau stable : le Bismuth (Bi). Famille radioactive • familles radioactives naturelles: • la famille de l’uranium U ; • la famille de l’actinium Ac; • la famille de thorium Th (comprend également une émanation gazeuse du Thoron) • La famille radioactive artificielle: • la famille du neptunium Np ; Loi de la désintégration radioactive • Par définition l’activité « A » ou taux de dégénérescence d’un radionucléide est égale au nombre de désintégration qui se produit par unité de temps (généralement temps en seconde). • L’activité A s’exprime en Becquerel dont le symbole est Bq (1 Bq = 1 désintégration par seconde. A s’exprime aussi en (atomes/s) . • NB : L’activité peut également s’exprimer en Curie (Ci) et Ci = 3,7. 1010 Bq (ce qui correspond à l’activité d’un gramme de radium). Loi de la désintégration radioactive • L’activité peut être perçue comme une vitesse de désintégration. Elle est donnée par l’équation : • l : constante de désintégration ou constante radioactive (t -1). Loi de la désintégration radioactive • Par intégration: • No: nombre d’atomes au temps initial • Nt: nombre d’atome à un temps t non nul • l = constante radioactive Période radioactive « T » (ou demi-vie radioactive) • la période notée t1/2 ou T, est le temps nécessaire pour lequel la moitié des noyaux initiaux (N0) se désintègrent. • No: nombre d’atomes au temps initial ; • Nt: nombre d’atomes au temps t non nul Période radioactive « T » (ou demi-vie radioactive) • Exemple : Datation • Principe de la datation • En connaissant un radioélément contenu dans l’objet, on détermine sa constante l. • On peut mesurer A, si l'on connaît l'activité A0 de l’échantillon, alors on peut connaître la date d'origine « t » de l'objet. Datation au carbone 14 • Ce carbone 14 se mélange au carbone ordinaire de l’environnement et est ingéré par tous les organismes vivants : dissolution du CO2 dans l’eau puis absorption, photosynthèse, respiration,… les tissus fixent ainsi l'élément carbone. • La proportion de carbone 14 dans les tissus est donc identique à celle de l'atmosphère tant que l'organisme est en vie. A la mort de l’organisme, la quantité de carbone 14, radioactif b-, diminue avec une période d’environ 5700 ± 30 ans selon la loi de décroissance radioactive. • Dés lors, si on compare l’activité d’un échantillon vivant à celle d’un échantillon mort (ancien), on peut déterminer l’âge de l’échantillon ancien (objet en bois, restes humains ou animaux,…). Datation au carbone 14 • Pour obtenir le Carbone 14, on bombarde l’azote 14 avec des neutrons. • La datation au C14 se limite aux matériaux organiques d’âge inférieur à 50000 ans, on considère que la méthode est fiable jusqu'à 30000ans. • Il faut noter qu’il existe d’autres méthodes de datation, comme la méthode Potassium/Argon ou Rubidium/strontium qui permettent de déterminer des âges supérieurs à 50000ans, par exemple : l’âge de la formation de la terre. Datation des roches et sédiments par la méthode au Pb • La production naturelle du minerai d’uranium est toujours associée à celle du plomb non radioactif formé par dégénérescence radioactive de l’uranium. • A partir du rapport de masse dans un tel minerai , il est possible d’estimer l’âge de la roche contenant ce minerai. Ainsi, à partir de l’âge de la roche nous pouvons savoir le temps écoulé depuis que le magma liquide s’est solidifié pour devenir une roche. Datation des roches et sédiments par la méthode au Pb • 2 hypothèses pour cette méthode: • le nucléide radioactif initial, les nucléides stables finaux, et tous les produits intermédiaires dans la série de dégénérescence radioactive sont présents dans la roche; • aucun plomb stable présent dans la roche initiale ne provient des autres isotopes dans leur abondance naturelle. • L’uranium a une période de 4,5. 109 ans. Datation des roches et sédiments par la méthode au Pb • Les meilleures estimations de l’âge des roches anciennes et de celle présumée de l’âge de la terre elle-même donnent 4,5. 109 ans. • Ces estimations sont basées sur le rapport de masse et sur les rapports d’autres pairs d’isotopes d’autres séries de dégénérescence radioactive naturelle. Réaction de fission nucléaire • Les atomes de nombre de masse très élevés, lorsqu’ils sont bombardés par des neutrons peuvent subir une cassure conduisant à des atomes plus légers et a des neutrons. Les neutrons émis peuvent à leur tour provoquer la fission d'atomes voisins, on a une réaction en chaîne explosive. Réaction de fission nucléaire • Si cette réaction est contrôlée dans une centrale nucléaire, elle produit de l’énergie qui actionnera une turbine électrique. • Si cette réaction n’est pas contrôlée et s’emballe, elle produit une explosion de type bombe atomique (testée à Hiroshima). • Elibérée = Eréactifs - Produits > 0. La réaction de fission est donc une réaction endothermique c'est-à-dire une réaction qui s’accompagne d’une adsorption d’énergie (E > 0). La Fusion nucléaire • Les atomes légers vont chercher à se stabiliser par réaction de fusion. Au cours de ce type de réactions, deux noyaux légers vont fusionner pour donner un atome plus lourd et diverses particules. La Fusion nucléaire • La réaction de fusion s’accompagne d’un dégagement d’énergie c’est donc une réaction exothermique. • La transmutation nucléaire est un autre type de réaction de fusion qui utilise le plus souvent des particules : a ou protons comme particules de bombardement. Le nucléide résultant présent ainsi une masse égale ou voisine à celle du noyau cible. Le noyau formé peut être stable ou lui même radioactif. Exercice d’application • Dans un échantillon de carbone prélevé sur une momie, l’activité du C-14 a diminuée jusqu’à atteindre 60 % de la valeur initiale. Calculer la date de la mort de la personne. • NB: on prend T= 5730 ans. Chapitre III: Description quantique de l’atome d’hydrogène Quantification de l’énergie Généralités sur les ondes lumineuses • Il existe deux modèles complémentaires, tous les deux valables, pour décrire les phénomènes lumineux : • La théorie ondulatoire décrit les phénomènes lumineux comme la propagation d’un champ électromagnétique, c’est-à-dire à la fois un champ électrique et un champ magnétique ; • La théorie corpusculaire décrit les phénomènes lumineux comme la propagation d’une population de photons, particules sans masse se déplaçant à la vitesse c dans le vide. Théorie ondulatoire de la lumière • La lumière est une association de champs électrique et magnétique qui se propageant dans l’espace avec un mouvement ondulatoire . • Ces ondes électromagnétiques ou lumineuses se propagent dans l’espace à une vitesse constante C (célérité de la lumière). Chacune de ces ondes est caractérisée par sa longueur d’onde 𝝀 Théorie ondulatoire de la lumière • La fréquence de l’onde peut s’écrire : • Avec: • n en hertz (Hz) • T (la période) en secondes. Théorie ondulatoire de la lumière • L'excitation d'un gaz enfermé dans une ampoule, par une étincelle électrique, produit une lumière qu'on peut étudier par spectroscopie. • L’analyse du spectre électromagnétique montre que de la lumière se compose de l’ensemble des ondes lumineuses où la fréquence n peut prendre toutes les valeurs de façon continue. • Le spectre visible, n’est qu’une petite partie du spectre complet des radiations électromagnétiques . Il représente la partie du spectre complet à laquelle l’oeil humain est sensible. Il s’étend du violet au rouge. Théorie ondulatoire de la lumière • Spectre électromagnétique Théorie ondulatoire de la lumière Théorie quantique • Elle décrit les phénomènes lumineux comme la propagation d’une population de photons, particules sans masse se déplaçant à la vitesse c dans le vide. • À chaque particule est associée une énergie E. Théorie quantique • Le lien entre les deux descriptions s’écrit : Effet photoélectrique • Lorsqu’on éclaire une plaque métallique et qu’on procède à un balayage en fréquence pour la lumière on obtient une émission d’électrons à partir d’une fréquence seuil ʋ0 qui est caractéristique du métal utilisé. • D’après Einstein, la lumière est porteuse de grains de matière, les « quanta », appelés aussi les « photons », porteurs chacun d’une énergie. • Ces grains d’énergie viennent frapper les atomes métalliques de la plaque, et s’ils ont suffisamment d’énergie, ils arrachent des électrons de la plaque, d’où la production de l’électricité. C’est ce qui constitue l’effet « photoélectrique ». Effet photoélectrique • On irradie alors la surface d’un métal par une lumière de fréquence donnée, alors des électrons sont émis (arrachés). • L’émission d’un électron ne se fait seulement si la fréquence de la lumière incidente est supérieure à une valeur n0 spécifique à chaque métal. • - L’énergie cinétique (mv2/2) de l’électron arraché augmente quand la fréquence n de la lumière augmente. Effet photoélectrique Si on éclaire une plaque métallique avec une lumière monochromatique de fréquence ʋ supérieure à la fréquence du seuil ν0, l’excès d’énergie par rapport à l’énergie caractéristique du métal E0 = hν0 est dissipée sous forme d’énergie cinétique prise par les électrons Δ𝐸𝑝ℎ=Δ𝐸0+Δ𝐸𝐶 Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène • L’étude du spectre de l'atome d'hydrogène montre que, pour des excitations peu importantes, on obtient une décomposition de la lumière émise en quatre raies de différentes couleurs • Le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est discontinu. • On ne peut distinguer que quelques raies colorées auxquelles correspondent des longueurs d’ondes discrètes que l’on peut mesurer à l’aide d’un spectromètre adéquat. Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène Spectre d’émission Interprétation du spectre optique • Les atomes ou les molécules peuvent échanger de l’énergie avec l’extérieur pour atteindre différents niveaux d’énergie. • L’émission d’un rayonnement lumineux correspond à un échange d’énergie : un photon est émis lorsqu’un électron de l’atome, préalablement excité par le potentiel électrique, revient à un niveau d’énergie plus bas en rendant son énergie. Interprétation du spectre optique Le moment cinétique de l’électron ne peut prendre que des valeurs entières précises (quantification du moment cinétique) : mvr = n.h/2p (n : nombre entier) • BALMER établit empiriquement en 1885 une formule donnant les différentes longueurs d'onde du spectre de l'atome d'hydrogène. Interprétation du spectre optique • Rydberg généralisa en 1890, peut s’écrire pour la partie visible du spectre de l’atome H : Modèles classiques de l'atome Théorie de Rutherford • Ce modèle est basé sur l'existence du noyau dans lequel est pratiquement concentrée toute la masse de l'atome et autour duquel gravitent des électrons. • La stabilité mécanique résulte de la compensation des forces d'attractions Fr a par les forces centrifuges Frc dues à la rotation des électrons autour du noyau. • L'avantage de ce modèle c'est qu'il ne fait appel qu'aux lois de la mécanique classique. Théorie de Rutherford • Par contre, il présente des inconvénients : • La théorie électromagnétique exige que l'électron rayonne des ondes électromagnétiques, donc il va perdre de l'énergie et finirait par tomber sur le noyau. • L'énergie lumineuse émise varie de façon continue. • Ces deux conclusions sont en contradiction avec l'expérience Théorie de Borh • Le modèle de Bohr (cas de l’atome d’hydrogène) repose sur quatre postulats : • Dans l’atome, le noyau est immobile alors que l’électron de masse m gravite autour du noyau selon une orbite circulaire de rayon r. • L’électron ne peut se trouver que sur des orbites privilégiées sans émettre de l’énergie. Ces orbites sont dites « orbites stationnaires ». Théorie de Borh • Lorsqu’un électron passe d’un niveau n1 à un autre niveau n2 (n2 > n1) il émet ou absorbe de l’énergie : DE = E2 - E1 = h.n (n : fréquence ; h : constante de Planck = 6,62.10-34 J.s). • Le moment cinétique de l'électron ne peut prendre que des valeurs entières (quantification du moment cinétique) : Théorie de Borh Aspect quantitatif de l’atome de Bohr • Dans un atome de noyau immobile de charge +Ze et entouré de Z électrons (cas de l’atome d’hydrogène : Z = 1), le système n’est stable et en équilibre que si la force d’attraction et la forcce centrifuge sont équivalentes. Aspect quantitatif de l’atome de Bohr D’après la loi de Coulomb: Fa= k.q.q’/r² avec q= charge de l’électron et q’= charge du proton d’ou Aspect quantitatif de l’atome de Bohr Aspect quantitatif de l’atome de Bohr • 2e loi de Newton: Fc = m.a = mv²/r • avec: a= accélération; m= masse de l’électron; v= vitesse de l’électron (1) Calcul de l’énergie totale Calcul de l’énergie totale Energie de l’atome d’hydrogène Rayon de l’orbite de l’atome d’hydrogène Si on remplace k par son expression: Diagramme d’énergie de l’atome d’hydrogène Transitions entre niveaux électroniques • Plus n augmente, plus rn augmente et moins l’électron est lié au noyau. • Si n→∞, l’électron est expulsé de l’atome. Ce dernier est alors ionisé. • Si n augmente, les niveaux énergétiques se rapprochent de plus en plus. • Le niveau d’énergie le plus bas correspond à n = 1. C’est l’état fondamental de l’atome. • Si n > 1, l’atome se trouve dans un état excité. • L’énergie d’ionisation E (= E∞) de l’atome d’hydrogène est l’énergie minimale qu’il faut lui fournir pour arracher l’électron à partir de l’état fondamental. Transitions entre niveaux électroniques • Un électron ne peut absorber ou émettre de l’énergie c’est-à-dire rayonner qu’en passant d’un niveau (orbite) initial ni à un autre niveau final nf. Ce changement d’orbites induit des lumières (photons) caractérisées par des fréquences n reliées à l’énergie DE à travers la relation de Planck : Transitions entre niveaux électroniques Si on pose: Transitions entre niveaux électroniques • Alors on obtient: • Cette relation permet de calculer les différentes longueurs d’ondes correspondantes aux transitions électroniques de l’hydrogène entre deux niveaux d’énergie. En général, on trouve plusieurs séries de spectre selon l’état ou se trouve l’électron. • Chaque groupe de raies est nommé série et porte le nom du savant qui l’a découvert. On distingue plusieurs séries de raies : Séries du spectre de l’atome d’hydrogène Séries du spectre de l’atome d’hydrogène Généralisation de l’atome d’hydrogène • Par définition un ion hydrogénoïde est un atome qui a perdu tous ses électrons sauf un et devient ainsi un ion ne comportant qu’un seul électron et Z protons. • Ainsi, les résultats et raisonnements précédents tels appliqués à l’atome d’hydrogène sont généralisables aux ions hydrogénoïdes. • Exemple: 2He+ ; 3Li2+ ; etc. Généralisation de l’atome d’hydrogène Les expressions de rn et de En pour les hydrogénoïdes sont calculées en remplaçant la charge du noyau de l’Hydrogène (Z=1.e) par (Z.e). Limites du modèle de Borh • Le modèle de Bohr s’applique à l’atome d’hydrogène et aux hydrogénoïdes. Le calcul devient plus complexe lorsqu’il s’agit des atomes poly électroniques. • Le modèle de Bohr n’explique, ni la formation de liaisons, ni la géométrie des molécules. Les nombres quantiques Les nombres quantiques • Suite aux limites du modèle de Borh, avec des spectrographes à pouvoir séparateur plus élevé, il a été possible de montrer que chaque raie de l’atome d’hydrogène était constituée de deux ou plusieurs raies fines. • C’est ainsi que la notion de mécanique quantique (ou ondulatoire) a été introduite par de nombreux physiciens (Werner Heisenberg, Louis De Broglie, Erwin Schrödinger) en tenant compte non pas de la position précise de l’électron, mais de sa probabilité de présence en un point de l’espace. • Les nombres quantiques ne peuvent prendre que certaines valeurs permises. Ces valeurs sont déduites soit de l’expérience (à partir de l’étude des spectres d’émission) ou de la théorie (à partir de la résolution mathématique de l’équation de Schrödinger). Les nombres quantiques • Le nombre quantique principal « n »: C’est un nombre entier positif (différent de 0) qui définit l’énergie moyenne de l’électron par rapport au noyau. Plus la valeur de n sera grande, plus l’énergie de l’électron sera grande et plus la distance séparant l’électron du noyau sera importante du fait que la taille de l’orbitale augmente. Généralement, les niveaux énergétiques sont désignés par une lettre majuscule : K, L, M,…. Les nombres quantiques • Le nombre quantique secondaire (ou azimutal) « l »: • Le nombre quantique secondaire « l » est introduit car les électrons d’un même niveau « n » peuvent occuper des niveaux d’énergies légèrement différents nommés sous-couche ou sous-niveaux d’énergie. Il est lié à la valeur du moment cinétique orbital de l’électron. Les valeurs de l sont telles que: Les nombres quantiques Remarque: Des valeurs plus élevées de l (l>3), on suit l’ordre alphabétique (g, h, i, etc.) Les nombres quantiques Les orbitales « d » Les nombres quantiques • Le nombre quantique magnétique « m » : il caractérise les différentes possibilités d’orientation spatiale des orbitales d’une même sous-couche et prend toutes les valeurs comprises entre -l et +l. Les nombres quantiques • Le nombre quantique de Spin: • NB: La description de l’état quantique de l’électron est complète que si on donne la valeur des quatre nombres quantiques : n, l, m et s Chapitre IV: Configuration électronique des atomes Généralité sur les structures électroniques • Une structure électronique est la répartition des électrons dans les différentes couches. En général, les couches sont identifiées par ns np ou ns np nd avec n= nombre quantique principal. • En rappel: • Plusieurs principes (les règles de remplissage) régissent la structure électronique de l’atome. Règles de remplissage • Principe de stabilité-règle de Klechkowski : • Les électrons d’un atome dans son état fondamental, occupent les niveaux d’énergies les plus bas possibles. Ceci correspond au principe de l’énergie minimale qui permet d’établir une configuration électronique de l’atome la plus stable (état fondamental). • A un niveau d’énergie caractérisé par une valeur de n, correspond plusieurs sous-niveaux ou sous-couches suivant les valeurs de l. • Cet ordre énergétique des orbitales atomiques suit la progression qui peut être représentée par le diagramme d’énergie ou la méthode de Klechkowski. Règles de remplissage • Lorsque n+l est identique pour plusieurs orbitales, on doit respecter l’ordre de remplissage selon n croissant. Exemple: • Lorsque l’ordre de remplissage se fait selon n+l croissant, alors l’orbitale ns est remplie avant (n-1)d. exemple: Règles de remplissage Règles de remplissage • Règle de Pauli: Cette règle énonce qu’il n’est pas possible que deux électrons aient un même état quantique, c'est-à-dire avoir leurs quatre nombres quantiques (n, l, m, s) identiques. Ceci induit, qu’il est possible de placer deux électrons (maximum) par orbitale atomique à condition qu’ils soient de spins opposés c’est-à-dire: Règles de remplissage • Règle de Hund: Sur les orbitales atomiques de même énergie, les électrons se répartissent avec un nombre maximum de spins parallèles. Règles de remplissage Exemple de configuration électronique de quelques atomes : Règles de remplissage: quelques exceptions Règles de remplissage: quelques exceptions • NB: Le molybdène (Mo), le cuivre Cu, l'argent (Ag) et l'or (Au) font parties également des exceptions. Electrons de valence et électrons de cœur • Suivant la configuration électronique, on distingue deux catégories d’électrons : • Les électrons de valence : Ce sont les électrons qui sont sur la couche n (et les électrons d’une sous-couche non saturée, le cas échéant) la plus élevée au sein de la configuration électronique. • En d’autres termes, ce sont ceux qui occupent la dernière couche (nombre quantique principal le plus grand) et les sous-couches en cours de remplissage. • Ils régissent la réactivité de l’élément • Les électrons de cœur qui sont les autres électrons. Electrons de valence et électrons de cœur Structure électronique réduite CHAPITRE 5: CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS Classification périodique • La classification périodique telle que nous la connaissons est essentiellement due à MENDELEIEV qui en 1869 publia une table dans laquelle les éléments étaient sensiblement classés par ordre de masse atomique croissante, la classification moderne est basée sur le classement des éléments par numéro atomique Z croissant, donc s’appuie sur la structure électronique des atomes. • • Le tableau périodique est constitué de 7 lignes appelées "périodes" et de 18 colonnes appelées "familles". • Le numéro atomique Z croît de gauche à droite dans une période et de haut en bas dans une colonne. Classification périodique • Les éléments d'une même période ont la même valeur du nombre quantique principal maximal n. • Les éléments appartenant à une même colonne ont généralement la même structure électronique externe, donc ont souvent des propriétés chimiques ou physiques voisines (ne pas généraliser !). Classification périodique • La classification périodique est divisée en 4 blocs en fonction de la structure électronique externe des éléments . • Ces blocs, dénommés s, p, d et f, comportent des éléments dont les électrons de valence appartiennent aux sous-couches correspondantes : Classement et propriétés des éléments • Les éléments chimiques sont classés en trois catégories : Les métaux : • Ils sont situés à gauche et au centre de la classification périodique : blocs s, d, f et une moitié du bloc p (exemple : Al, Sn, Pb ...). • Ils sont tous solides à température ambiante (25°C), excepté le mercure (80Hg) qui est liquide. Classement et propriétés des éléments • Propriétés physiques des métaux: • malléable, • bon conducteur d’électricité, • brillant, • ductile. • Propriétés chimiques des métaux : • réagit avec les acides, • forme des oxydes basiques, • forme des cations, • forme des halogénures ioniques. Classement et propriétés physiques des éléments Les non-métaux • Ils sont situés à droite dans la classification périodique : seconde moitié du bloc p (ex. F, O, P ...). • Propriétés physiques: • Ils sont solides ou gazeux à 25°C, exceptionnellement liquide (le di brome, Br2); • Ils sont mauvais conducteurs de la chaleur et ce sont des isolants électriques. (sauf le carbone qui est isolant (diamant) ou conducteur (graphite)); • Non malléable, non ductile, terne. Classement et propriétés physiques des éléments • Propriétés chimiques des non-métaux : • ne réagit pas avec les acides, • Forme des oxydes acides • Forme des anions, • Forme des halogénures covalentes. Classement et propriétés physiques des éléments Les métaux de transition • Ce sont des éléments dont la dernière couche s est saturée à 2 électrons alors que la sous-couche d est incomplètement remplie. • Ils possèdent des caractéristiques des métaux mais leur comportement chimique est assez particulier. Les gaz rares • Les éléments de ces familles se distinguent par l’absence presque totale de leur activité chimique, d'où leur grande stabilité. Les familles (colonnes) Les familles (colonnes) Les familles (colonnes) Les familles (colonnes) Propriétés des familles Propriétés des familles PREVENTION DU COMPORTEMENT CHIMIQUE D’UN ELEMENT. Evolution de l’électronégativité dans le tableau périodique : L’électronégativité, C’est la tendance qu’a un atome à attirer vers lui le doublet électronique d’une liaison covalente dans la molécule. ECHELLE D’ELECTRONEGATIVITE DE PAULING PREVENTION DU COMPORTEMENT CHIMIQUE D’UN ELEMENT Evolution de l’énergie de première ionisation dans le tableau périodique: L’énergie de première ionisation est l’énergie nécessaire pour arracher l’électron le moins bien lié d’un atome isolé pris à l’état gazeux. Evolution du rayon atomique dans le tableau périodique. • Rayon atomique (ionique) : c’est la moitié de la distance qui sépare deux atomes identiques liés par une liaison covalente.