n -1

DOCUMENTATION
Chimie Générale et Chimie Physique : ARNAUD, ATKINS
Chimie des Solutions : GABORIAU
Chimie des Eaux : SIGG, MICHARD, MOREL
ADRESSES INTERNET :
www.iupac.org
www.webelements.com
www.science.uottawa.ca
www.fortunecity.com/campus
www.univ-lemans.fr/enseignement/chimies
1
ATOMISTIQUE
CONSTITUANTS DE LA MATIÈRE
La matière est de nature discontinue
ATOME : C’est la plus petite unité de matière
pouvant exister à l’état libre
NOYAU (10-4 Å)
ATOME
(1Å = 10-10 m)
NUAGE ELECTRONIQUE
2
NOYAU
(10-4 Å)
Le NOYAU renferme 2 types de particules « lourdes » (Hadrons)
Le PROTON : charge + 1.60·10-19 C
masse : 1.673·10-27 kg
Le NEUTRON : charge nulle
masse : 1.675·10-27 kg
Le NEUTRON et le PROTON constituent les NUCLÉONS
3
LES ELECTRONS
Les électrons sont localisés dans un « nuage » autour du noyau
ELECTRON : charge – 1.60·10-19 C masse : 0.911·10-30 kg
L’électron est une particule « légère » (lepton)
Il est 1830 fois moins lourd que le proton
Sa charge est égale en valeur absolue à celle du proton
La matière est électriquement neutre À TOUTE ÉCHELLE
L’UNIVERS renferme exactement le même nombre
de protons que d’électrons
4
MASSE ATOMIQUE
MASSE du NOYAU >> MASSE des ELECTRONS
La masse d’un atome est pratiquement égale à celle du noyau
Le nombre de protons du noyau est le numéro atomique Z
Le nombre de neutrons : N
Le nombre de masse : A
approximation : 1 u (ex uma) = masse du proton = masse du neutron
A=Z+N
5
MASSE ATOMIQUE
A=Z+N
A
Représentation symbolique d’un Atome :
Z
28
Exemple : le Silicium :
Nombre de masse A = 28
Numéro atomique Z = 14
X
Si
14
N = 14
Le noyau contient 14 protons + 14 neutrons
Le nuage électronique contient 14 électrons
ISOTOPES :
même valeur de Z (même nombre de protons)
nombre de masse différent
Deux isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons
6
ISOTOPES :
Exemples : C (Z = 6)
12C
13C
14C*
O (Z = 8)
16O
17O
18O
MASSE ATOMIQUE
RÉFÉRENCE : 1 mole d’atomes de l’isotope 12 du C = 12 g
12
N = 6.025 ·1023
g
N
1 u = mC/12 ou 1/N g ou 1.66054·10-24 g
Masse d’un atome de C :
mC =
PROTON : 1.0073 u
NEUTRON : 1.0087 u
ELECTRON : 0.548·10-3 u
u = unified atomic mass unit
7
MASSE ATOMIQUE
56
Fe
26
1 ATOME :
56
Fe
26
1 MOLE :
: 56 u
: 56 g
LES MASSES S’EXPRIMENT PAR LE MÊME NOMBRE
•
•
en u pour les particules
en gramme pour les moles
8
MODÈLES ATOMIQUES
Mécanique Classique : modèle de RUTHERFORD
Mécanique Quantique : modèle de BOHR & SOMMERFELD
modèle probabiliste de SCHRÖDINGER
9
Modèle de RUTHERFORD
(mécanique classique)
1
1
Proton
électron
v
1 e
m =
2
r 4πε0 r
2
2
L’équilibre du système proton – électron :
force centrifuge = force de Coulomb
10
Modèle de RUTHERFORD
• L ’électron rayonne de l ’énergie SPONTANÉMENT
• Le spectre de l ’énergie rayonnée est CONTINU
Les résultats du modèle sont en DÉSACCORD avec
l ’expérience
Il conduit à une matière INSTABLE
L ’électron devrait être « absorbé » par le proton
11
Modèle de RUTHERFORD
IL N ’EXPLIQUE PAS :
• Le spectre DISCONTINU de l ’énergie émise ou absorbée
par les atomes
• D ’autres énigmes de la Physique :
*
L ’Effet Photoélectrique
*
L ’Effet COMPTON
12
MODÈLE de BOHR & SOMMERFELD
(Mécanique Quantique)
Onde associée à toute particule :
Orbite stable stationnaire :
h
λ=
mv
2πr = nλ
Quantification du moment cinétique :
nh
mvr =
2π
13
MODÈLE de BOHR & SOMMERFELD
ET = EC + EP
ÉNERGIE DE L ’ÉLECTRON :
L’équation d ’équilibre des forces donne :
v
1 e
m =
2
r 4πε0 r
2
1 e
Ec =
4πε0 2 r
2
2
d ’où :
Calcul de l ’Energie Potentielle EP :
1 e
Ep =
∫ 2 dr
4πε0 ∞ r
r
2
1 e
Ep = −
4πε0 r
2
14
MODÈLE de BOHR & SOMMERFELD
ÉNERGIE DE L ’ÉLECTRON :
1 e
ET = −
4πε0 2 r
ET = EC + EP
2
(expression non quantifiée de ET)
Avec :
v
1 e
m =
2
r 4πε0 r
2
2
on calcule v2 dans chaque
expression d ’où :
et
h
mvr = n
2π
h ε0
r =n
2
π me
2
2
15
MODÈLE de BOHR & SOMMERFELD
h ε0
r =n
2
π me
1 e
ET = −
4πε0 2 r
2
2
2
En remplaçant r dans l ’expression de ET :
1 me
ET = − 2 [ 2 2 ]
n 8ε0h
4
Κ
ET = − 2
n
L’ énergie de l ’électron est quantifiée.
Elle ne peut varier que par valeurs entières de n
16
MODÈLE de BOHR & SOMMERFELD
Ce modèle explique les spectres de « raies »
de l ’atome d ’hydrogène :
ΔE = E2 − E1
E2
⎡ 1 1⎤
ΔE = Κ ⎢ 2 − 2 ⎥
⎣n1 n2 ⎦
E2
hν
E1
hν
E1
ABSORBTION
EMISSION17
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
• A L ’ÉCHELLE ATOMIQUE ON NE PEUT PLUS
DÉFINIR DE TRAJECTOIRE
• LE CARACTÈRE ONDULATOIRE
DE LA MATIÈRE DÉFINI PAR :
h
λ=
mv
IMPOSE :
Δ(mvx )⋅Δx ≥ h
2π
PRINCIPE D ’INCERTITUDE
D ’HEISENBERG
18
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
EXEMPLE :
Le modèle de BOHR donne pour l ’électron de
l ’atome d ’hydrogène :
v = 2.25·106 m/s
•le diamètre de l ’atome d ’hydrogène x = 1Å
si on le connaît à 10 % près : Δx = 0.1 Å ou 10-11 m
m = 9 10-31 kg Δm =10-31 kg
• On connaîtra la vitesse de l ’électron avec
une incertitude au moins égale à : Δv ≥ ·107 m/s
Soit une incertitude supérieure
à la grandeur elle-même !
TRAJECTOIRE
19
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
• La notion de trajectoire est remplacée par celle de
« probabilité de présence »
• Le principe fondamental de la dynamique est remplacé
par l ’équation de SCHRÖDINGER
ĤΨ = EΨ
Les solutions sont des « fonctions d ’ondes »
stationnaires de la forme :
Ψ = f(x,y,z)
Ψ = f(r,θ,φ)
indépendantes du temps
20
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
ψ = f(x,y,z) indépendantes du temps
Le carré de l ’amplitude de l ’onde associée
mesure la PROBABILITÉ DE PRÉSENCE
de l ’électron dans un espace fini :
P( x , y ,z ) = Ψ = Ψ ⋅ Ψ *
2
CONDITION DE NORMALISATION :
∫ Ψ ( x , y , z ) ⋅ Ψ * ( x , y , z ) ⋅ dv
v
=1
21
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
L’équation de SCHRÖDINGER est résolue pour H
et les ions « hydrogénoïdes » : He+, Li2+ et Be3+
La résolution introduit 3 nombres quantiques :
• n : nombre quantique principal (BOHR) n > 0
• l : nombre quantique azimutal
0≤l≤n-1
• m : nombre quantique magnétique
-l≤m≤+l
22
MODÈLE PROBABILISTE
DE L ’ATOME D ’HYDROGÈNE
On retrouve le résultat de BOHR
l ’énergie est quantifiée
Κ
ET = − 2
n
À chaque valeur de n, l et m correspond
une solution de l ’équation qui est
une fonction d ’onde
•
n : niveau d ’énergie ou « couche électronique »
• pour n donné : l et m définissent les
« sous-couches »
23
CLASSIFICATION DES SOLUTIONS
• À chaque valeur de n correspond n2 fonctions
d’onde Φ (x,y,z) ou « état »
• Chaque fonction d’onde représente un domaine d’espace
où l ’électron a une certaine probabilité de se trouver
n=1
1s
1 état
n=2
2s
2 px 2 py 2 pz
4 états
n=3
3s
3p
3d
9 états
n=4
4s
4p
4d
4f
16 états
24
CLASSIFICATION DES SOLUTIONS
n=1
l=0
n=2 l=0
l=1
m=0:
m=0:
m = -1
m= 0
m= 1
n=3 l=0 m=0 :
l = 1 m = -1
m= 0
m= 1
l = 2 m = -2
m = -1
m=0
m=1
m=2
1 orbitale 1s
1 orbitale 2 s
3 orbitales 2 p
1 orbitale 3 s
3 orbitales 3 p
5 orbitales 3 d
25
CLASSIFICATION DES SOLUTIONS
n=4 l=0 m=0 :
l = 1 m = -1
m= 0
m= 1
l = 2 m = -2
m = -1
m=0
m=1
m=2
l = 3 m = -3
m = -2
m = -1
m=0
m=1
m=2
m=3
1 orbitale 4 s
3 orbitales 4 p
5 orbitales 4 d
7 orbitales 4 f
26
z
ORBITALE 1s
y
x
SYMÉTRIE SPHÉRIQUE
27
3 ORBITALES « p »
28
LES 5 ORBITALES « d »
29
LE NOMBRE QUANTIQUE DE SPIN
n, l et m sont insuffisants :
existence de raies spectrales doubles
« doublet jaune du sodium »
(2 raies d ’émission atomique à 589 et 589.6 nm)
existence d ’un moment magnétique
propre de l ’électron
NOMBRE DE SPIN : S = ± 1/2
30
RÈGLES DE « REMPLISSAGE »
DES NIVEAUX D’ÉNERGIE
Les électrons d’un atome polyélectronique occupent
les mêmes orbitales que celles de l’hydrogène mais
leurs énergies diffèrent.
Le noyau est plus chargé : attraction plus forte
=>
énergie abaissée
Les électrons subissent conjointement
attraction noyau-électron
répulsion électron-électron (effet d’écran)
3 principes et règles
31
ORDRE DE REMPLISSAGE (Klechkowski ou Aufbau)
(n+l croissant)
n
6
6s
6p
6d
5
5s
5p
5d
5f
O
4
4s
4p
4d
4f
N
3
3s
3p
3d
2
2s
2p
1
1s
0
P
M
L
K
1
2
3
l
32
Principe d’exclusion de PAULI
Deux électrons d’un même atome diffèrent au
moins par un de leurs 4 nombres quantiques :
CONSÉQUENCE : une orbitale donnée contient
au maximum 2 électrons de spin opposé.
33
Règle de HUND
Dans un niveau d’énergie dégénéré on occupe d’abord
tous les sous-niveaux par des électrons
de spin parallèle
Exemple : O
Z=8
1 s2 2 s2 2 p4
OUI
NON
1s
2s
2p
34
EXEMPLES
Structure électronique du Soufre :
Z = 16
Groupe VI A
S
Période 3
n=3
6 e- sur le niveau externe
(Ne) 3 s2 3 p4
3s
3p
35
EXEMPLES
Structure électronique du Titane :
Ti
Z = 22
Période 4
1ère série de transition
Le niveau 4s se remplit avant le niveau 3d
(Ar) 4 s2 3 d2
36
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE
Bloc s
Ordre de Remplissage des Orbitales Atomiques
3d
4d
* 5d
** 6d
Bloc d
Bloc p
ÉLÉMENTS DE TRANSITION
*
**
Bloc f
* Lanthanides (4 f)
** Actinides (5f)
37
38
BLOC s
Groupe 1 : n s1
ALCALINS
Groupe 2 : n s2 ALCALINO-TERREUX
Métaux réactifs qui forment des oxydes basiques
BLOC p
Groupes 13 à 18 : n s2 n p1 à n s2 n p6
n s2 n p5 : GROUPE 17
HALOGÈNES
n s2 n p6 : GROUPE 18
GAZ RARES
Métaux, métalloïdes et non métaux
BLOC d Groupes 3 à 12 : n s2 n p6
Métaux
39
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE
VARIATION DU RAYON ATOMIQUE
40
ÉNERGIE DE PREMIÈRE IONISATION
AFFINITÉ ÉLECTRONIQUE
E.I.(1) : M
M+ + e-
énergie fournie pour arracher un électron : ΔH > 0
I1 = ΔH
A.E :
X + e-
X-
énergie libérée pour capturer un électron :
ΔH < 0 en général.
A = - ΔH ’
41
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE
ÉNERGIE DE PREMIÈRE IONISATION
42
ÉLECTRONÉGATIVITÉ
EN =
I1 + A
2
( MULLIKEN)
ÉCHELLE DE PAULING :
Basée sur les énergies de liaisons
Arbitraire : FLUOR : EN max = 4
CÉSIUM : EN min = 0.7
43
ÉLECTRONÉGATIVITÉ
EN forte
GROUPES VI A et VII A
IONS NÉGATIFS : O2-, S2-, Cl-
EN faible
GROUPES I A, II A, III A
IONS POSITIFS : Na+, K+, Ca2+, Al3+
44
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE
ÉLECTRONÉGATIVITÉ
F
Cs
45