2 LES LIAISONS CHIMIQUES 1 Évolutions d`un modèle atomique

2 LES LIAISONS CHIMIQUES
1 Évolutions d'un modèle atomique pas si a-tomique que cela
Thomson (1904).
MODELE: l'atome est constitué par une sphère uniformément chargée d'électricité positive dans laquelle
sont enfouis un certain nombre d'électrons, comme les raisins dans un cake.
Pour la première fois était donc émise l'idée que l'atome n'est pas une particule insécable comme
l'indiquait l'étymologie de son nom.
Rutherford (1911).
MODELE: la charge positive de l'atome ainsi que pratiquement toute sa masse se trouvent concentrées en
un tout petit volume, le noyau, autour duquel, dans l'espace vide, gravitent les électrons .
Ce modèle fut confirmé par Geiger et Maraden (1911 à 1913) qui parvinrent, avec des
expériences similaires, à calculer le diamètre du noyau (pour rappel: 10 –4 Angström). Elles
montrèrent également que le noyau comporte un nombre de charges positives élémentaires égal,
précisément, au numéro atomique Z de l'atome dans la classification périodique.
Notons également que Rutherford (1920) avait suggéré l'existence de particules neutres
(neutrons) qui ne furent identifiées qu'en 1932 par Chadwick. C'est la même année que fut émise
l'hypothèse que les noyaux de tous les atomes sont formés de protons et de neutrons.
Bohr (1913).
Nous pouvons remarquer que des sels chauffés à la flamme d'un bunsen colorent celle-ci.
Un apport énergétique aussi minime ne pouvant guère influencer le noyau de l'atome, c'est dans son
environnement électronique que les scientifiques ont cherché l'explication de cette émission de lumière.
Or, si nous nous souvenons que la lumière, produite par des transformations d'énergie est une forme
d'énergie, nous devons penser que les teintes différentes émises par les atomes chauffés, indiquent que les
environnements électroniques des atomes sont dotés d'énergies différentes.
Les électrons des différents éléments chimiques ont des niveaux d'énergie qui sont différents.
Explication de l'émission de rayons lumineux par les sels chauffés:
Le chauffage apporte de l'énergie aux atomes: ils sont
agités et s'entrechoquent. Une partie de l'énergie est
transférée aux électrons. Ces derniers sont dits "excités";
ils peuvent alors passer sur des niveaux d'énergie plus
élevée. Mais ce faisant, ils laissent des places vides
derrière eux. Ils vont alors redescendre, reprendre leur
situation "fondamentale", en restituant leur énergie sous
forme de lumière. Cependant, de même qu'ils avaient
absorbé une quantité bien précise d'énergie pour passer
d'un niveau d'énergie à l'autre (juste égale à la différence
d'énergie entre les deux niveaux), lorsqu'ils redescendent à
un niveau d'énergie plus bas, ils restituent exactement la
différence d'énergie entre ces deux niveaux. Donc, la
lumière émise présente une coloration bien définie.
http://mendeleiev.cyberscol.qc.ca/carrefour/atomix/bohr.html
Le modèle planétaire de Rutherford, décrivant des électrons en rotation quelconque autour du noyau,
n'explique pas cette observation. Bohr propose d'ajuster ce modèle.
MODELE: Les électrons, circulant autour du noyau, ont des niveaux d'énergie très précis, niveaux de plus
en plus grands lorsqu'on s'éloigne du noyau. On peut imaginer les électrons disposés sur des
couches correspondant à ces quelques niveaux d'énergie, et ne pouvant demeurer nulle part
ailleurs.
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REGLES de répartition des électrons dans les niveaux :
1. Nombre maximum par niveau
Il existe un nombre maximum d'électrons pouvant occuper simultanément le même
niveau d'énergie, car il existe des répulsions entre ces électrons qui sont chargés
électriquement de la même façon. Ce nombre est donné par la formule :
2 n2
n est appelé nombre quantique principal, il peut prendre une valeur entière de 1 à l'infini
(mais à ce stade, l'électron a quitté l'attraction du noyau atomique!)
Les niveaux inférieurs (les seuls utiles) sont symbolisés par une lettre
niveau K: n=1 ce niveau peut contenir au maximum 2 électrons
niveau L: n=2 ce niveau peut contenir au maximum électrons
niveau M: n= ---->
niveau N: n=
niveau
2. Les électrons se répartissent en saturant les niveaux inférieurs d'énergie.
Ce qui est logique, tout système naturel recherchant le minimum d'énergie
3. La couche externe contient au maximum 8 électrons.
Ce point ne figure pas dans le modèle atomique « officiel » proposé par Bohr, mais
se révélera très pratique par la suite.
Représentons la répartition électronique des 20 premiers éléments:
Éléments Z K L M N Nbre d'e- sur la couche
externe
Nbre de niveaux
d'énergie (couches)
H 1
He 2
Li 3
Be 4
B 5
C 6
N 7
O 8
F 9
Ne 10
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Éléments Z K L M N Nbre d'e- sur la couche
externe
Nbre de niveaux
d'énergie (couches)
Na 11
Mg 12
Al 13
Si 14
P 15
S 16
Cl 17
Ar 18
K 19
Ca 20
Nous obtenons une classification qui laisse apparaître une certaine monotonie...
Certains d'entre-nous ont rempli des colonnes par automatisme.
Je vous propose maintenant de rechercher une autre manière de classer ces éléments...
Disposons ces mêmes éléments dans les cases de ce nouveau tableau...
et que l'illumination se fasse.
nombre d'électrons sur la couche externe 12345678
nombre de couches électroniques 1
2
3
4
Et que distingue-t-on ?
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................................................
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2 Le tableau périodique
1.1 La classification périodique de Mendeleïev comme
révélateur du modèle atomique
Sans connaître la structure de l'atome, Mendeleïev avait proposé un système de
classement des éléments selon la périodicité de leurs propriétés physiques et
chimiques. Cette intuition géniale avait par exemple permis la prédiction de
propriétés de quelques éléments avant même qu'ils ne soient découverts !
Il laissa donc des cases vides dans son tableau, cases qui se remplirent plus tard, au fur et à mesure que les
éléments chimiques manquants furent isolés et décrits...
Les modèles atomiques du siècle suivant (inspirés par Bohr et d'autres chimistes) justifièrent a posteriori
cette géniale classification en familles et en périodes :
•Une famille regroupe des éléments qui ont des propriétés physico-chimiques semblables...
car ils possèdent le même nombre d'électrons sur la couche externe (et donc qui ont une
réactivité semblable, puisque ce sont ces électrons-là qui sont disponibles pour les
réactions chimiques)
•Une période regroupe des éléments dont les propriétés changent régulièrement (leur
nombre d'électrons sur la couche externe croît de gauche à droite d'une unité) et qui
disposent du même nombre de couches électroniques.
1.2 Exploitons le TP
Dans chaque case se trouvent les renseignements sur le nombre de protons, la masse atomique relative
moyenne, la disposition des électrons en couches (numérotées par des lettres majuscules , la première étant
identifiée comme K, la deuxième L etc), l'appartenance à une période (numérotée par un chiffre arabe, de 1 à
7), le nombre d'électrons sur la couche externe (variant entre 1 et 8), l'appartenance à une famille (numérotée
en chiffre romain, correspondant justement, dans les familles a, au nombre d'électrons présents sur la couche
externe), et pour terminer une valeur d'électronégativité qui marque la tendance de l'élément à prendre des
électrons.
1.3 La représentation de Lewis
La représentation de Lewis renseigne sur la disposition des électrons de la couche périphérique.
Ces électrons sont dits « de valence » car ce sont eux qui participent aux réactions chimiques, d'où l'intérêt de
cette représentation. Rappelons que le nombre d'électrons sur la couche externe de l'élément est limité à 8.
Les électrons occupent des espaces appelés des loges. Ces loges se définissent comme des volumes dans
lesquels des électrons ont une grande probabilité de se trouver (ils peuvent être ailleurs, temporairement).
Une loge ne peut contenir qu'un maximum de deux électrons. Puisque chaque loge contient au plus deux
électrons, seulement 4 loges existent simultanément sur la couche périphérique.
La représentation de Lewis consiste à disposer les électrons périphériques dans les quatre loges disponibles
sur la dernière couche, chaque loge pouvant contenir 0, 1 ou 2 électrons.
En tenant compte du fait que les électrons ont d'abord tendance à s'isoler dans les différentes loges
(on qualifie ces électrons de célibataires),
puis, lorsque cela n'est plus possible, à partager la loge avec un autre électron
(on parle alors de doublet, de paire d'électrons libres, ou encore d'électrons appariés),
il s'agira de répartir ces électrons au mieux entre ces quatre loges...
Pratiquement, on trace un grand X; les loges sont figurées par les espaces laissés libres entre les bras du X.
Chaque électron, symbolisé par un point, est placé dans une loge ; s'ils se retrouvent à deux, une barre
symbolisera souvent cette paire d'électrons libres.
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3 Vers un modèle atomique pratique
Le modèle atomique « dernier-cri » n'est pas le plus utile pour nous.
Limitons-nous à un modèle simple qui explique la plupart des phénomènes que nous rencontrons.
Un atome est
–Un espace vide d'un diamètre
de l'ordre de 10-10 m
Ceci permet d'expliquer
•les densités différentes des matières, et même l'existence
de matières tellement denses que rien ne peut s'échapper
de leur force gravitationnelle (les trous noirs)
•le fait que l'atome échappe à l'observation directe (il est
invisible)
–Contenant en son centre un
noyau d'un diamètre de l'ordre
de 10-14 m, formé d'un ou de
plusieurs protons de charge +1,
accompagnés de neutrons de
charge nulle. Ces deux types de
particules (les nucléons) ont
une masse semblable de 1 uma.
Ceci permet d'expliquer
•l'existence des isotopes
•la présence de l'essentiel de la masse de l'atome dans son
noyau
•la masse atomique relative moyenne
•l'existence de noyaux instables, donc la radioactivité et
l'énergie nucléaire
•l'immobilité des charges positives dans un solide
–Dans lequel un certain nombre
d'électrons chargés
négativement et de masse très
faible, possèdent une énergie
bien quantifiée. Ces électrons
sont plus ou moins bien attirés
par le noyau.
Ceci permet d'expliquer
•la réactivité chimique
•l'émission de lumières colorées
•la classification périodique
•la mobilité des charges négatives dans un solide
conducteur
•l'existence des ions
Voici un petit tableau périodique en sept lignes
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