Extrait - Remede.org
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L’atome 1ͲStructuredel’atome Unatomeestlapluspetitepartied’uncorpssimpleconservantencore sespropriétés.Ilestneutre.Ilcomprendunnoyauetdesélectrons. Lenoyau,généralementassimiléàunesphère,estchargépositivement. Il contient des nucléons, constitués principalement de deux types de particules, les protons, chargés positivement et les neutrons, de charge électriqueq,nulle. Les électrons sont quant à eux chargés négativement. Ils gravitent autourdunoyausousformed’un«nuageélectronique». Tableau1.1:Caractéristiquesprincipalesdesconstituantsdel’atome Particule(symbole) Charge Masse Electron(eͲ) Ͳe=Ͳ1,602.10Ͳ19C 9,11.10Ͳ31Kg Proton(p) +e=+1,602.10Ͳ19C 1,67.10Ͳ27Kg Neutron(n) q=0 1,67.10Ͳ27Kg ChaqueatomeestreprésentéparsonsymboleXetestdéfiniselondeux paramètresnommésZetA.Zounuméroatomique,situéenbasàgauchedu symbol,traduitlenombredeprotonmaisaussilenombred’électrons,lorsque l’élémentétudiéestneutre.Aounombredemasse,localiséenhautàgauche dusymbole,correspondàlasommedunombredeprotonsetdeneutrons dontlenoyauestconstitué. Chaqueatomeestalorsdécritàl’aidedusymbolisme: 5 5 A X Z Chapitre1 2ͲAtomeeténergie 2.1ͲModèledeBohr AlasuitedupostulatdePlanck(lessystèmesémettentunrayonnement parsautd’énergieE=hXoùh=6,6310Ͳ34J.sestlaconstantedePlancketXla fréquence du rayonnement), Bohr présente un modèle regroupant les principessuivants:(1)Chaqueélectrongraviteautourdunoyauendécrivant une orbite admise comme étant circulaire et centrée autour de ce dernier. Plusieursorbitesdifférentesexistentdansunatome.Ellessontassociéesàdes niveauxd’énergiedifférents.(2)Chaqueatomenepeutadmettrequecertains états d’énergie quantifiés par un niveau d’énergie propre. (3) L’émission ou l’absorption d’une radiation n’est observée que lors du passage d’un niveau d’énergieàunautre. Figure1.1:Absorptionetémission E Em Niveau m hQ Niveau n absorption émission Ce modèle permet de donner comme valeur du moment angulaire P del’électronquiinfluesurladirectiondunombrequantiquemagnétiquem(cf paragraphe 3.1 de ce chapitre): P= n h/ 2S où n est le nombre quantique principal (cf paragraphe 3.1 de ce chapitre) et h, la constante de Planck. Il autoriseunedescriptioncorrectedel’atomed’hydrogène. L’atome d’hydrogène peut absorber ou émettre des quantités d’énergie correspondantaupassaged’unniveaud’énergieàunautre. 6 6 L’atome Le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène se compose dans le domaine du visible, de quatre raies, HG, HJ, HE et HD pour lesquelles sont associées à chacune d’entre elles une longueur d’onde 410 (HG), 434,2 (HJ), 486,1(HE)et656,3nm(HD. Acettesériederaiesestassociéelarelationsuivante: 1 O =V = Rh 1 2 n - 1 m2 Avec Rh=constantedeRhydberg O=longueurd’onde V=nombred’onde netmentiersnaturelsavecmшn+1 L’atome d’hydrogène dans son état fondamental, correspond au niveaudeplusbasseénergieE1pourlequeln=1etE1=Ͳ13,6eV.Ilprésente un diagramme d’énergie et un spectre d’émission caractérisé par le passage d’unniveauénergétiqueEnàunniveauinférieuravecuneémissiond’énergie. Figure 1.2: Diagramme énergétique et spectre d’émission de l’atome d’hydrogène E (eV) n=f n=4 -0,85 n=3 -1,51 -3,42 -13,6 n=2 Série de Brackett Série de Paschen Série de Balmer Série de Lyman n=1 7 7 Chapitre1 Les quatre premières séries de raies observées dans ce spectre d’émissioncorrespondentàdestransitionsbiendéfinies.PourlatransitionEь ,ils’agitdelasériedeLyman.LatransitionEь ї2correspondàlasériede ї1 Balmer. Les transitions Eь ї 3et Eь ї 4 portent respectivement les noms de sériesdePaschenetBrackett.Eь correspondàunétatlibredel’électron,ou encoreàunétationisépourl’atome. 3ͲModèlequantiquedel’atome Lemodèlequantiquedel’atomereposesurdeuxprincipes:leprincipe del’ondeassociéeetceluidel’incertituded’Heisenberg.Leprincipedel’onde associéeestbasésurladualitéondeͲcorpuscule:àtouteparticuledemassem et de vitesse v en mouvement rapide, correspond une onde de longueur d’onde ʄ, et inversement à toute onde électromagnétique, est associée une particule.Larelationcaractéristiquedeceprincipeest:ʄ=h/mQ(hconstante dePlanck).Leprinciped’incertitudeestimeirréalisableladescriptionexactede latrajectoired’uneparticule.Ladéterminationsimultanéedelapositionxet de la vitesse v n’est pas envisageable. Le produit des incertitudes est alors donnéeparl’inégalitéd’Heisenberg:ȴx.ȴvшh/2ʋm.Lanotiondeprobabilité de présence d’une particule remplace la position précise d’un élément en un pointdonné.Ceprincipepermetd’associeràchaqueélectrondel’atomeune fonction d’onde nommée ʗ obtenue par résolution de l’équation de Schrödinger.Soncarré,ʗ2exprimelaprobabilitédeprésencedel’électron,à un moment donné, dans un certain volume de l’espace caractérisé par ses coordonnées x, y, z. Les régions de l’espace pour lesquelles la probabilité de trouverl’électronestmaximalesenommentorbitalesatomiques. 8 8 L’atome 3.1Ͳ Nombres quantiques et représentation graphique des orbitales atomiques. Larésolutiondel’équationdeSchrödingerafindeconnaîtrelessolutions ʗ,anécessitél’introductiondeparamètresappelésnombresquantiques. Le nombre quantique principal n est un entier naturel. Il définit la coucheouniveauénergétique.Aunevaleurden=1,correspondlacoucheK; n=2,lacoucheL;n=3,lacoucheMetn=4,lacoucheN.OnanomméK,la coucheplusprochedunoyaupuisviennentens’éloignantaufuretàmesure dunoyau,lescouchesL,M,N,….Lacoucheremplielapluséloignéedunoyau est appelée couche externe et les électrons de cette couche, électrons périphériques. Le nombre maximal d’électrons contenus dans la couche K est 2. La couche L renferme au maximum 8, la couche M, 18 et la couche N, 32 électrons. Une couche possédant son nombre maximum d’électrons est dite saturée. Tableau 1.2: Exemples de correspondances entre valeurs de nombres quantiquesetorbitales n l m s orbitales 1 0 0 +Щ2,ͲЩ2 s 2 0 0 +Щ2,ͲЩ2 s 1 Ͳ1,0,+1 +Щ2,ͲЩ2 p 0 0 +Щ2,ͲЩ2 s 1 Ͳ1,0,+1 +Щ2,ͲЩ2 p 2 Ͳ2,Ͳ1,0,+1,+2 +Щ2,ͲЩ2 d 3 Le nombre quantique secondaire l ou nombre quantique azimutal, traduit les sousͲcouches ou sousͲniveaux énergétiques. Il prend des valeurs positivesentièrescomprisesentre0et(nͲ1).Cenombrepermetdedécrirela 9 9 Chapitre1 région de l’espace où la probabilité de présence de l’électron est élevée appeléeorbitaleatomique.Alavaleurdel=0estassociéel’orbitaleousousͲ couches.Pourl=1,l’orbitaleestdetypep.l=2,correspondàuneorbitaled etl=3àuneorbitalef. Le nombre quantique magnétique ml caractérise l’orientation des trajectoires de l’électron dans l’espace. Sa valeur est fonction de celle du nombrequantiquesecondairel,Ͳlчmlч+l.2l+1valeursdifférentessontalors susceptiblesd’êtreattribuéesàl. Le nombre quantique de spin ou s rend compte de la rotation de l’électronsursonpropreaxe.Seulesdeuxorientationssontpossibles,s=+Щ2 ets=ͲЩ2. 3.2ͲGéométriedesorbitales Une orbitale atomique définit une région de l’espace pour laquelle la probabilité de trouver l’électron est maximale. Elle peut être représentée en troisdimensionsetsaformedépendessentiellementdelavaleurdunombre quantiquesecondaireldontlerôleestdedéfinirsontypes,poud.L’orbitale atomique s est de symétrie sphérique et centrée sur le noyau. Les orbitales atomiquespsontconstituéesdedeuxlobesdesignesopposésséparésparun nœudauniveauduquel,laprobabilitédeprésencedel’électronestnulle.Pour l = 1 sont reliées trois valeurs pour m, Ͳ1, 0, +1 correspondant aux trois directionsdistinctesdestrajectoiresspatiales.Lesaxesdesorbitalesp(px,py, pz)sontdirigéssuivantcestroisorientationsperpendiculairesdeuxàdeux. 10 10 L’atome Figure1.3:Géométriedesorbitalesatomiques x x x orbitale s z z z z y y y y orbitale px orbitale py x orbitale pz 3.3Ͳ Règles de répartition des électrons d’un atome et configuration électronique. Larépartitiondesélectronsatourdunoyaudanslesorbitales,permetde définir la configuration électronique d’un atome. Elle obéit aux quatre règles ouprincipesdéfinisciͲaprès. Principedestabilité:l’étatfondamentald’unélectroncorrespondàson étatdestabilitéénergétiquec’estͲàͲdiredeplusfaibleniveaud’énergie. Principe d’exclusion de Pauli: deux électrons d’une même orbitale atomique ne peuvent posséder leur quatre nombres quantiques identiques. Lestroisnombresn,l,mlétantfixés pouruneorbitaleatomiquedonnée,les électrons diffèrent alors par leur nombre de spin s pour lequel seules deux valeurs peuvent être attribuées, +Щ2 et ͲЩ2. De ce fait, une orbitale atomique renfermeaumaximumdeuxélectronsdespinsopposésouantiparallèles.Ces électronssontalorsappariés. RègledeHund:pourunmêmeniveauénergétique,ilfautatteindrele nombremaximald’orbitalesoccupéesavantd’apparierlesélectrons. 11 11 Chapitre1 Figure1.4:Exemplederépartitiondesélectronspour7N et non 1s2 2s2 2p3 1s2 2s2 2p3 RègledeKlechowski:Lesorbitalesatomiquessontrempliesparordre d’énergie croissante. Le remplissage s’effectue selon l’ordre croissant de la sommen+l,oùnestlenombrequantiqueprincipaletllenombrequantique secondaire. Il existe néanmoins des exceptions au niveau de l’ordre de remplissage.Ilenrésulteparexemple,uneinversionderemplissageentreles orbitales 4s et 3p. L’ordre de remplissage est alors déterminé à l’aide du tableauprésentéciͲaprès. Figure1.5:OrdrederemplissagedessousͲcouches 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 6s 6p 6d 6f 7s 7p 7d 7f E Onpeutalorsécrirel’ordrederemplissagesuivant:1s2s2p3s3p4s 3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d7p6f7d7f. 12 12
