Structure de l`atome - Sciences Physiques TSI1 Rabeux Michel

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Chimie 1
Les philosophes de la Grèce antique avaient déjà postulé l'existence de l'atome comme particule infiniment petite et indivisible ( terme ultime du fractionnement de la matière ).
Mais c'est au XIXème siècle que naquit la théorie atomique. Dalton vers 1800 avança les
idées suivantes :
* Les atomes sont les particules fondamentales de la matière. L'atome est caractéristique d'un
élément chimique symbolisé par une lettre majuscule X ( parfois deux lettres, la première
étant majuscule et la seconde minuscule ).
* Les atomes s'associent en molécules ( corps simples ou corps composés ).
Dalton supposait les atomes indivisibles, ce qui s'est révélé faux.
A la fin du XIXème siècle on supposait que l'atome était une sphère de diamètre de l'ordre de
100 pm dans laquelle étaient réparties des charges positives et des charges négatives ( modèle
de Thomson-Lorentz ).
Rutherford montra en 1910 la structure lacunaire de l'atome. L'atome est formé d'un noyau
central ( diamètre de l'ordre de 10 fm ) chargé positivement et d'électrons gravitant autour
( analogie planétaire ) le diamètre de l'atome étant de l'ordre de 100 pm.
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Structure de l’atome
I. Structure de l'atome
Il est formé d'un noyau et d'un nuage électronique.
1. Le noyau
Il est formé de protons et de neutrons ( famille des nucléons ).
Le nombre de nucléons est noté A : c'est le nombre de masse. ( La dénomination nombre de
masse provient du fait que la masse du noyau est très proche de la masse de l'atome et que les
masses des protons et des neutrons sont très voisines, A est donc proportionnel à la masse du
noyau ).
mp = 1,6726.10-27 kg qp = + e = 1,6022.10-19 C
mn = 1,6749.10-27 kg qn = 0
mp ≈ mn ≈ u
u : unité de masse atomique 1 u = 1,66056.10-27 kg
La dimension du noyau est de l'ordre de quelques fm ( la masse volumique du noyau est
énorme 1018 kg.m-3 ).
Le nombre de protons est noté Z ( nombre de charge ) La charge du noyau est Q = + Z.e
Le nombre de neutrons est noté N ( N = A - Z ).
2. Le nuage électronique
L'atome étant électriquement neutre, autour du noyau se déplacent Z électrons ( qe- = - e
me- = 9,109.10-30 kg ).
Contrairement aux descriptions de Rutherford, les électrons ne gravitent pas autour du noyau
sur des orbites. On ne peut pas déterminer avec précision la position et la vitesse d'un électron
mais on peut uniquement donner une probabilité de présence de l'électron dans un volume
donné. Cependant l'énergie de l'électron est parfaitement définie et est quantifiée ( notion de
couches ). L'ordre de grandeur de la distance noyau-électron est de 100 pm ( → grand vide ).
Les propriétés chimiques sont liées aux électrons ( électrons de valence ). Z définit l'élément
chimique, Z est aussi appelé numéro atomique.
3. Notion d’élément chimique de nucléides et d’isotopes
Un élément chimique est l'ensemble des "atomes" qui ont un même nombre de protons dans
leur noyau. Ce nombre est le numéro atomique Z.
Il est noté par une ou deux lettre ( la première lettre est toujours en majuscule )
Exemples : H, Ca, B, Al. Dans le cas général l’élément chimique sera noté X.
A chaque Z ne correspond qu’un seul élément chimique.
Un nucléide est l'ensemble des "atomes" dont les noyaux contiennent le même nombre de
protons et le même nombre de neutrons. Le symbole d'un nucléide est : X
Des isotopes sont des nucléides ayant le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différents. Des isotopes sont donc des nucléides différents d’un même élément chimique
238
Exemples : 11 H 21 H 31 H ( les trois isotopes de l'hydrogène ) 126 C 136 C 235
92 U
92 U
Il existe 118 éléments chimiques ( dont 92 naturels ) et environ 1500 nucléides ( dont environ 300 naturels ). Le dernier élément a été trouvé en juin 2009.
Au cours d'une réaction nucléaire, il y a transformation du noyau ( changement de nucléide ).
Au cours d'une réaction chimique, il y a échange d'électrons ( X, A,Z inchangés ).
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II. La mole, le nombre d'Avogadro, la masse molaire
1. La mole, le nombre d'Avogadro
La quantité de matière peut s'exprimer en masse ou en nombre d'entités présentes.
Une mole est une quantité de matière contenant autant de particules qu'il y a d'atomes
dans 12 g du nucléide 126 C . ( symbole de la mole : mol. )
Ce nombre est le nombre d'Avogadro NA = 6,022.1023 mol-1
La mole est l'une des sept unités de base du S.I. ( m, kg, s, A, K, cd, mol )
2. La masse molaire
La masse molaire atomique d'un nucléide est la masse d'une mole de nucléide. Cette
masse molaire est très voisine du nombre de masse lorsqu'elle est exprimée en g.mol-1
28
30
Ex : M ( 14
Si ) = 27,98 g.mol-1 M ( 14
Si ) = 29,97 g.mol-1
La masse molaire atomique d'un élément se calcule avec la moyenne pondérée par les
abondances naturelles des masses molaires des nucléides isotopes.
35
Ex : le chlore naturel est constitué de 75,8 % de 17
Cl et de 24,2 % de 37
17 Cl
M ( Cl ) = 0,758x35,0 + 0,242x37,0 = 35,5 g.mol-1
La masse molaire moléculaire est la masse d'une mole de molécules
Ex : M ( C2H6 ) = 2x12 + 6x1 = 30 g.mol-1
3. Le volume molaire
C'est le volume occupé par une mole, l'unité est L.mol-1 . Dans le cas des gaz ( supposés
parfaits ), le volume molaire est indépendant de la nature du gaz ( loi d'Avogadro-Ampère ), il
R. T
ne dépend que de la température et de la pression Vmol =
P
Dans les conditions normales de T et de P ( T = 273 K et P = 1 atm ) Vmol = 22,4 L.mol-1
4. La charge molaire
C’est la charge d’une mole d’ion, le faraday ( F ) correspond à la charge d’une mole de
proton ( charge molaire élémentaire ). 1 F = NA.e = 96485 C.mol-1
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