Structure des atomes 1) Quelles sont les forces en physique

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Structure des atomes
1) Quelles sont les forces en physique ? Quelles sont les forces qui
concernent la chimie (l’atomistique) ?
Forces de Gravitation, Forces électromagnétiques, Forces nucléaires
fortes et faibles. La chimie n’est concernée que par les forces
électromagnétiques.
2) Au regard de ces forces, comment est caractérisé un atome ?
Les atomes sont caractérisés par leur numéro atomique Z qui la charge du
noyau. C’est un numéro ( ~ de 1 à 100). Il y a une liste des atomes caractérisés
par un nom, un symbole et Z.
3) Constituants de l’atome : Les atomes sont constitués de particules
chargées (H+, e-) et de particules neutres (neutrons). Seules les
premières interviennent dans les forces électrostatiques. Les nucléons
(les protons et les neutrons) sont rassemblés par les forces nucléaires
pour former un assemblage, le noyau.
4) Le noyau : Un noyau est beaucoup plus gros et massif qu’un électron.
Lorsqu’on s’intéresse à un atome, on va considérer que le noyau est
immobile et on s’intéressera uniquement aux électrons soumis au
potentiel d’un noyau (approximation de Born-Oppenheimer). On pourra
par la suite assimiler les noyaux à des particules sans dimension (la taille
du noyau est négligeable devant la distance noyau-électron). On
s’intéresse au potentiel exercé par ces sur les électrons : Z, la charge du
noyau.
5) Le numéro atomique : Z est le nombre de protons. Les atomes
numérotés par Z contiennent Z protons. La charge du noyau est donc Z.
C’est aussi pour l’atome neutre, le nombre d’électron ; mais attention !
Pour un ion, Z reste la charge du noyau mais ce n’est plus le nombre
d’électron.

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6) La représentation d’un atome contient deux indications Z et M.
M indique leur nombre de masse : Le nombre de masse, M, le nombre
de protons ou de neutrons dans le noyau ; c’est donc un nombre entier
supérieur à Z. Il y a en gros un rapport 2 entre Z et M.
A gauche du symbole chimique, on écrit en haut le nombre de masse
(nombre de nucléons, protons ou neutrons) et en bas le numéro
atomique Z.
12
6 C 13 6 C 14 6 C
16
8 O 17 8 O 18 8 O
Les masses atomiques (nombres réels) dépendent de mélanges
isotopiques dans une mole de produit. Elles diffèrent des nombres de
masse qui sont des nombres entiers ; elles tiennent compte des nombres
moyens de nucléon ; elles tiennent compte des variations des énergies
de liaison entre nucléons. Le numéro atomique, Z, correspond au
nombre de protons dans le noyau et ne dépend pas du nombre de
neutrons.
7) Quand on a un grand nombre d’atomes désignés par le même symbole
et le même Z, on a des mélanges d’isotopes qui diffèrent par M ; le
nombre de neutrons est différent. Comme cela n’affecte pas les forces
électrostatiques (les charges sont les mêmes) l’atome a les mêmes
propriétés chimiques et conserve son nom. La masse atomique d’un
atome moyen représentant le mélange est alors un nombre réel :
12,8111 pour C ; 15,9994 pour O et 35,453 pour Cl.
Exemple : une mole d'atomes de chlore 35Cl a une masse de 35 g. Une
mole d'atomes de chlore 37Cl a une masse de 37 g auxquelles il faut
soustraire l'énergie de liaison des nucléons.
L'élément chlore existe à l'état naturel avec les proportions
75,77 %/24,23 % en 35Cl/37Cl. Sa masse atomique vaut donc :
à laquelle on doit soustraire une énergie nucléaire de liaison de 0,032g
pour retrouver la masse (35,453) donnée dans le tableau de l'élément.

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1961 : L'Union internationale de chimie pure et appliquée tranche pour la
définition actuelle de la masse atomique, en fixant la masse atomique du
carbone 12 à 12.
2002 : Le CNRS propose une unité sur la base 1 proton égal 1 unité. Mais
il n'a pas, à ce jour, été appliqué. L'unité de base reste donc la
précédente.
8) L’unité de masse atomique est définie par rapport à un atome. Le
carbone a été choisi comme référence. L’unité de masse atomique est
définie comme 1/12 de la masse d'un atome de l’isotope 12C, non lié, au
repos, et dans son état fondamental.
Dans les unités SI, le CODATA de 2006 recommande la valeur suivante :
9) Le Système d'unités atomiques (u.a.) est rapporté aux électrons ; Il est
constitué par:
longueur a0, le Bohr qui représente la distance noyau-
électron la plus probable entre proton et électron dans l’atome
d’hydrogène.
charge e, la charge de l'électron, 1.602 10-19C
masse m, la masse de l'électron, 9.11 10-31 Kg
énergie la Hartree, 43.6 10-19 Joules définie
comme l'énergie potentielle d'un dipôle (e,-e) de longueur a0.
Dans ce système, h/ 2 et 1
40 valent 1.
10) Le domaine de la chimie (celui des réactions) n’est pas concerné
par la différence entre isotopes : les isotopes ont des noyaux
pareillement chargés ! L’existence d’isotopes peut, en revanche,
intéresser le chimiste pour suivre un atome particulier (traceurs, atomes
marqués…). La chimie physique utilise la physique pour caractériser les
espèces chimiques et est intéressé par autre chose que les échanges
d’électrons.

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11) Un changement d’échelle : A notre échelle, les quantités
auxquelles on s’intéresse contiennent un grand nombre d’atome
composés d’isotopes différents.
La mole et le nombre d’Avogadro définissent ce changement d’échelle.
La mole est la quantité de matière d'un système contenant autant
d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans 12 g de carbone 12.
12) Le nombre d’Avogadro est défini par la relation suivante :
N =
12____'_ 12____'_ carbonedeatomeundMasse carbonedemoleunedMasse
= 6,022142 x 10 23
La constante N été appelée constante d’Avogadro, en hommage à
Avogadro, célèbre chimiste et physicien italien (1776 – 1856) qui avait
montré que deux volumes égaux de gaz différents, dans les mêmes
conditions de température et de pression, contenaient un nombre
identique de molécules. Ainsi, il devenait possible de déterminer la
masse molaire d'un gaz à partir de celle d'un autre. On doit à Jean Perrin
la première détermination de N en 1923.
Une mole, est un paquet de 6,022 x 10 23 entités chimiques identiques.
La masse molaire est la masse d'une mole d'une substance (un corps
simple, un composé chimique). Elle s'exprime en grammes par mole
(g·mol−1 ou g/mol).
Cette relation se traduit par :
avec :
M : la masse molaire en grammes par mole. (ou « g/mol » ou
« g·mol−1 », selon le SI)
m : la masse en grammes (symbole « g », selon le SI) ;
n : la quantité de matière en moles (symbole « mol », selon le SI)

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Mécanique Quantique
1) L’outil pour décrire un atome (ou un petit nombre d’entre eux) est la
mécanique quantique (ou ondulatoire). La physique classique est
inopérante !
2) Le mot quantique est associé à un dénombrement d’espèces par un
indice quantique « nombre entier ». Il n’y a pas de valeur possible entre
deux valeurs successives. Ce concept est aussi associé à un aspect
corpusculaire : on dénombre des corpuscules. Le mot ondulatoire est lié
au rayonnement. Le caractère « en-phase » ou « en opposition-de-
phase » des fonctions d’ondes ont permis en particulier d’expliquer les
phénomènes d’interférence pour la lumière.
3) Différence entre macroscopique et microscopique : l’exemple du panier
de cerises.
Si l'on individualise une cerise, on ne peut pas faire simultanément
l'expérience qu'elle soit rouge et bonne. Ou on la regarde sans la
manger; on constate alors qu'elle est dans l'état rouge. Ou on la
goûte et on constate qu'elle est bonne. A l'échelle macroscopique,
on dispose d'un grand panier de cerises qui sont toutes identiques
et l'on s'arrange pour faire des prélèvements négligeables. On
peut alors goûter une cerise, regarder les autres et dire qu'il s'agit
d'un panier de cerises rouges et bonnes.
Les mesures macroscopiques portent sur des moyennes. Les
valeurs moyennes varient de façon continue. On peut donc les
relier par des fonctions d’où l’usage en physique de « formules ».
Les mesures à l’échelle microscopique sont « entières ». Une
cerise peut-être, rouge, d’une autre couleur, ou sa couleur peut ne
pas avoir de sens. Il est des états pour lesquelles la couleur est
définie et d’autres pas. Il n’y a pas de lien entre ces états et donc
pas de fonction continue. Les mesures sont des observations liées
individuellement à ces états. Elles forment un jeu de valeurs que
l’on peut numéroter. L’état 1 donne la solution 1… Numéroter ces
états est introduire une quantification.