UE CHI363 Chimie industrielle

Première partie : modèle de l’atome et
tableau périodique des éléments
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Ce chapitre traite de découvertes reconnues par l’attribution du Prix Nobel de
physique ou de chimie dans le premier quart du XXème siècle
•Tous les Nobel de Chimie, B. Wojtkowiak, Ouest Editions, 1990
•www.nobelprize.org (premiers lauréats : en 1901)
Introduction
A. Analyse élémentaire
B. Modèle de l’atome : électrons, nucléons, isotopie ; mole, nombre d’Avogadro ;
édifices moléculaires, formule brute, formule moléculaire, masses molaires
Grandes étapes de la construction du modèle quantique
C. Découverte de l’électron et du noyau : l’atome a une structure
D. Introduction de la quantification : spectroscopie et modèle de Bohr
E. Mesure de la masse des atomes et découverte de la structure du noyau : isotopie
F. Le modèle actuel de l’atome, issu des postulats de la mécanique quantique
Le tableau périodique des éléments chimiques
G. Le tableau périodique des éléments chimiques
H. Modèle de Slater : notion d’effet d’écran
I. Formules de Lewis des atomes et des ions monoatomiques

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Séries de raies
Johann Jakob Balmer (1825-1898) a établi empiriquement (1885) une
formule de récurrence reliant les longueurs d’onde des quatre raies alors
connues du spectre atomique d’émission de l’hydrogène : 656 nm, 486 nm,
434 nm, 410 nm (dans le domaine du visible). Cette « série » de raies est
nommée série de Balmer.
=
1
Constante.
m2
m entier, m > 2
m2 - 4
4. Etude du spectre atomique d’émission de H
La formule de Balmer a servi de modèle pour l’expression des lois donnant
les raies spectrales d’autres séries du spectre, dans les domaines situés de
part et d’autre du visible : série de Paschen (dans l’infrarouge) et série de
Lyman (dans l’ultraviolet).
=
1
R22
1
m2
1
( )
Balmer, visible, m > 2
=
1
R32
1
m2
1
( )
Paschen, infrarouge, m > 3
=
1
R12
1
m2
1
( )
Lyman, ultraviolet, m > 1

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La symétrie algébrique de ces formules a confirmé une intuition de Walter
Ritz, exprimée dans un principe de combinaison : la formule de Balmer se
présente comme une différence entre deux termes qui sont de même
nature (principe de Ritz). D’où une formule générale, permettant de
retrouver toutes les raies de toutes les séries du spectre :
=n2
1
n,m
R1
m2
1
-
(
n et m entiers, m > n
)
Johannes Robert Rydberg (1854-1919), en étudiant les spectres de divers
éléments chimiques, a mis en évidence l’importance de la constante qui
intervient dans cette loi et dont la valeur peut être obtenue avec une
grande précision par la position des raies spectrales. Cette constante,
notée R, est appelée la constante de Rydberg de l’élément.
La valeur de la constante de Rydberg est caractéristique de l’élément.
Sa valeur pour l’hydrogène est : RH = 10979708,014 ± 0,013 m-1.
Constante de Rydberg d’un élément

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Dans une série, par exemple la série de Balmer (les raies étudiées par
Balmer sont notées aujourd’hui : Ha à 656 nm, Hb à 486 nm, Hg à 434 nm,
Hd à 410 nm ; les raies de la série de Lyman sont notées L) :
•les raies sont de plus en plus proches les unes des autres lorsque
l’énergie augmente, jusqu’à devenir presque indiscernables
•on appelle « raie limite » de la série (située pour la série de Balmer vers
364,6 nm), la raie correspondant à l’énergie la plus grande dans la série
Raie limite d’une série

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Caractérisation d’un élément par son spectre
Spectroscopie d’absorption et Energie d’ionisation
Le spectre d’émission atomique d’un élément est :
•constitué de raies,
•et les raies sont organisées en séries.
Le spectre d’émission atomique d’un élément est toujours constitué des mêmes
raies : il est ainsi caractéristique de cet élément.
Lorsque l’on étudie l’absorption d’énergie par une collection d’atomes d’un
élément, le repérage des énergies pouvant être absorbées conduit à des raies
observées aussi dans le spectre d’émission. Au-delà d’une valeur de l’énergie
caractérisant la « raie limite » d’une série d’absorption, on atteint un
continuum où toutes les énergies peuvent être absorbées car l’électron n’est
plus lié. L’énergie de la raie limite correspond à l’énergie nécessaire pour
ioniser l’atome : l’« énergie d’ionisation », définie pour un état initial donné de
l’atome