chapitre 6_element et atome
publicité
Architecturedelamatière Chapitre6:élémentetatome Chapitre7:laclassificationpériodiquedeséléments Chapitre8:moléculesetsolvants Cours de chimie de première période de PCSI silence,ontourne Unélectronanonyme Chapitre 6 – Elément et atome – Page 1 DL L’élémentchimique:de l’atomeàlaclassification périodiquedeséléments Objetsetobjectifsdecechapitre Décrirecomplètementl’étatd’unélectrondansunatome,puisdécrirel’atomelui même,endistinguantsesélectronsdecœuretsesélectronsdevalence. Dansleschapitressuivants,ils’agirade: • Etudierl’outilessentielqu’estlaclassification périodique des éléments:bien enconnaîtrelaconstructionetêtrecapabled’enextrairetouteslesinformations. Queloutilfantastique!! • Discuter de l’évolution d’une notion fondamentale en chimie: l’électronégativité. • Préparer le chapitre suivant relatif aux molécules, et autres édifices polyatomiques. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 2 DL Planducours IElémentchimiqueetatome 1.L’élémentchimique 2.L’entitéchimiqueetl’espècechimique 3.L’atome,lesatomes a–Compositiondel’atome b–Isotopie c-Moleetmassemolaire d–Massemolaireetnombredemassedel’atome e–Massemolairedel’élémentX. 4.CationetAniond’unélémentchimique IIDescriptiondel’étatd’unélectrondansunatome 1.Les4nombresquantiquesdécrivantl’étatd’unélectron a–3nombresquantiquesdéfinissentuneOrbitaleAtomique(OA) b–Lequatrièmenombrequantique:lenombrequantiquemagnétiquedespinms. 2.Quantificationdel’énergiedel’électronetnombresquantiquesnetl a-Atomeàplusieursélectrons:touslesatomessaufH b-Casdel’hydrogène;extensionauxsystèmeshydrogénoïdes. c-Lediagrammedesniveauxd’énergied’unatomedonné 3.Cequ’ilfautretenir 4 4 4 4 4 5 7 7 8 9 9 9 9 10 10 10 11 12 13 IIIConfigurationélectroniqued’unatome.Règlesàrespecter 14 1.Définition 14 2.Règlesetprincipesàrespecter 14 a.Leprinciped’exclusiondePauli(1925) 14 b.Larègle(empirique)deKlechkowski 15 c.LarègledeHund 17 3.Configurationélectroniquefondamentaled’unatome.Principed’Aufbau,oudeconstruction: «Aufbauprinzip». 17 a.Configurationélectroniquedel’atomeZX. 17 b.Configurationélectroniquedel’anionZXq-. 17 c.ConfigurationélectroniqueducationZXp+. 18 4.Electronsdecœuretélectronsdevalence 18 a.Définition 18 b-Prévisiondelaformuledesionsmonoatomiquesd’unélémentdonné 19 IVInteractionsmatière-rayonnement 1.Absorptionetémission 2.Spectred’émissiondel’atomed’hydrogène:l’atomeestdémasqué! 20 21 22 Chapitre 6 – Elément et atome – DL Page 3 IElémentchimiqueetatome 1.L’élémentchimique D’aprèsleLivred’ordel’IUPAC, visiter http://goldbook.iupac.org «Un élément chimique désigne l'ensemble des entités chimiques qui sont caractérisés par un même nombre de protons dans leur noyau atomique. Ce nombre,notéZ,estlenuméroatomiquedel'élémentchimique». Ex: • HClO, Cl2 et Cl- sont des espèces chimiques qui contiennent l’élément chimique Chlore. • Dioxygène O2, ozone O3, ion oxyde O2-, ion hydroxyde HO-, eau H2O sont des entitéschimiquescontenantl’élémentoxygène. Aujourd’hui, il y a 118 éléments chimiques, naturels ou artificiels, dans le tableau périodiquedeséléments. 2.L’entitéchimiqueetl’espècechimique Employons un vocabulaire précisen distinguant une espèce chimique et une entité chimique: «Entité chimique» désigne tout atome, molécule, ion, paire d’ions, radical, diradical, ionradical,complexe,conformère,etc.,biendéfinichimiquementouisotopiquementet quipeutêtreidentifiéindividuellement. «Espèce chimique» désigneunensembled’entitéschimiques(atomes,molécules,…) structuralementetchimiquementidentiques. Ex: «le cuivre» désigne une espèce chimique et l’on pourra étudier la formation d’un atomedecuivre,doncd’uneentité,àunecathodelorsd’uneélectrolyseparexemple. 3.L’atome,lesatomes a–Compositiondel’atome Pourlesbesoinsduchimiste,l’atomeestconstituédetroisparticules(atome=a-tome: indivisible…enfait,non): Chapitre 6 – Elément et atome – Page 4 DL • Lenoyaudel’atomecomporteZ protons,etN neutrons.Lenombre de masse del’atomeestA=Z+N.LenombreAcaractériseunnucléïde. UncortègedeZélectronsautourdunoyau • Ilfautsurtoutbienretenirlesordresdegrandeursdeladimensiondunoyauetcelle del’atome:lediamètredel’atomeestenviron100000foisplusgrandqueceluidu noyau. (Silenoyauavaitundiamètrede1mm,l’atomeaundiamètrede100m). Delamêmefaçon,lamassed’unprotonestenviron1836foisplusgrandequecelle del’électron. ELECTRON : masse de l’électron: me = 9,1094.10-31 kg charge du neutron : mN = - 1,602.10-19 C NEUTRON : masse du neutron : mN = 1,6749.10-27 kg charge du neutron : mN = 0 PROTON : masse du proton : mP = 1,6726.10-27 kg charge du neutron : mP = 1,602.10-19 C Volume:diamètre de l’ATOME : diamètre = 1.10-10 m = 100 pm Volume:diamètre du NOYAU : diamètre = 1.10-15 m = 1 fm Lesélectronsoccupentlaquasi-totalitéduvolumedel’atome, Lenoyauconcentrelaquasi-totalitédelamassedel’atome. Zestlenuméroatomique:Zcaractérisechaqueélémentchimique. LenombredemasseAdonnelenombretotaldenucléons,sommedunombreZet dunombreN. b–Isotopie α -Définition Deux atomes qui ont même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différentsontdesisotopes. (isotope:motinventéparSirFreddySoddyen1913:iso-topos:«mêmeplacedansla classificationpériodique). Notationd’unatomedel’élémentX: ! !! Chapitre 6 – Elément et atome – Page 5 DL 12 13 14 Ex: isotope du carbone: 6 C 6C 6 C : ce sont trois atomes de l’élément carbone cartouslestroispossèdent6protons. les isotopes du carbone carbone-12 carbone-13 carbone-14 Soddyautilisélapremièrefoislemot«isotope»dansunarticlede 1913: «The same algebraic sum of positive and negative charges in the nucleus, when the arithmetic sum is different, gives what I call «isotopes»orisotopicelements,becausetheyoccupythesameplace intheperiodictable». β –Abondanceisotopique L’abondanceisotopiqueindiquelepourcentaged’unisotopedonnédanslafamilledes différentsisotopesd’unélémentchimique. γ –Stabilitédesisotopes Tous les isotopes d’un élément chimique ne sont pas stables. On peut retrouver les stabilitésrelativesdesdifférentsisotopesd’unélémentàl’aidedudiagrammedeSegré. Certainsisotopessonttrèsstables,d’autresnelesontpasetdanscecas,leurduréede vie peut varier de quelques années, jours, heures à quelques fractions infimes de seconde. Par exemple, dans notre organisme, le potassium-40, se désintègre et sa demi-vie est égale à 1,3 milliard d’années. Il se désintègre en donnant un atome de calcium-40. Sur ce diagramme de Segré, interactif en vous rendant sur le site indiqué, les isotopes stablessontsituésdanslapartielaplussombre.Adroite,apparaîtun«îlotdestabilité» prévuparlathéorie. visiter http://www.nndc.bnl.gov/chart/ Chapitre 6 – Elément et atome – Page 6 DL c-Moleetmassemolaire En 1969, une septième unité de base est ajoutée au système internationald’unitésdemesure(SI):lamoleestl’unitédequantitéde matière.L’histoire de la «mole» nous obligerait ici à retracer l’histoire dupoidsatomique,grandeurchimique,utiliséedepuissadéfinitiondu débutduXIXsiècleparlechimisteanglaisJohnDALTON. Suivant les propositions entr’autres de l’IUPAC, la définition de la mole fut finalement adoptée par la 14ème CGPM ( Conférence Générale des Poids et Mesures 1971, Résolution3;CR,78etMetrologia,1972,8,36),«ladéfinitiondelamole»n’adoncque 45ans! 1. La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 0,012 kilogramme de carbone12;sonsymboleest«mol». 2. Lorsqu’onemploielamole,lesentitésélémentairesdoiventêtrespécifiées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d’autresparticulesoudesgroupementsspécifiésdetellesparticules. Ilenrésultequelamassemolaireducarbone12estégaleà0,012kilogrammeparmole exactement,M(12C)=12g/mol. La mole est définie comme le nombre d'atomes de carbone présents dans12gdecarboneC-12.Cenombreestlenombred’Avogadro,ou laconstanted’Avogadro: Figure : A. Avogadro NA=6,0221023mol-1 Aujourd’hui : NA=6,02214129x1023 mol-1 avec une incertitude relative de 5,0x10-8 Cettevaleurdunombred'AvogadroaétédéterminéeparPerrinparplusd'unedizaine deméthodesaudébutduXXèmesiècle. Pourcalculerlamassemolaired’unélémentchimique,l’ontientcomptebienentendude sonabondanceisotopique. d–Massemolaireetnombredemassedel’atome !!!. Soit un atome X, de numéro atomique Z, de nombre de masse A. Il possède donc N neutrons. Protonetneutronsontdeuxnucléonsdemassedifférente,maiscependantextrèmement proche:mP≈mN.NotonsmNucléoncettemasse:mNucléon≈mP≈mN. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 7 DL On constate alors que la valeur numérique de la masse molaire M (en g.mol-1) d’un atomeestquasimentégalaunombredenucléonsAqu’ilcontient. Eneffet:M≈NA.(Z.mP+N.mN)(àcausedudéfautdemasse,lamassedunoyaun’esten effetpaségaleàlamassedetoussesscontituants). M≈NA.(Z.mP+N.mN)+NA.Z.mé-≈NA.(Z.mP+N.mN)≈NA.(Z.mNucléon+N.mNucléon) M≈NA.(Z+N).mNucléon M≈NA.A.mNucléon or,cfcarbone-12:12=NA.12.mNucléon Donc:1=NA.mNucléon D’oùlerésultat: LamassemolaireMdel’atome !!!estM≈Ag.mol-1. e–Massemolairedel’élémentX. Lesabondancesdesisotopessontparfoistrèsdifférentes,parfoissensiblementégales: Isotope Masseatomique Abondanceatomiquenaturelle (ma/uma) (%) 12C 12,0000000(0) 98,93(8) 13C 13,0033548378(10) 1,07(8) Régulièrement,lesmassesmolairesdesélémentschimiquessontactualiséesparceque l’onconnaîtavecdeplusenplusdeprécisionl’abondancedesdifférentsisotopesd’un élémentdonné. La masse molaire d’un élément chimique est obtenue en faisant la somme des massesmolairesdesdifférentsisotopesmultipliésparleurabondancerelative. Exemple:massemolaireduchlore(Z=17) Isotope Masseatomique Abondanceatomiquenaturelle (ma/u) (%) 35Cl 34,968852721(69) 75,28(4) 37Cl 36,96590262(11) 24,22(4) Résultat: Chapitre 6 – Elément et atome – Page 8 DL 4.CationetAniond’unélémentchimique Un atome X est électriquement neutre: son noyau possède Z protons et le cortègeélectroniquepossèdedoncZélectrons. Un ion Xa+ (respectivement Xb-) est constitué d’un noyau possédant toujours Z protonsetd’uncortègeélectroniquede(Z-a)électrons(respectivement:(Z+b)). IIDescriptiondel’étatd’unélectrondansunatome Pourdécrirel’étatd’unélectrondansunatomedonné,lamécaniquequantiquemontre quelaconnaissancede4nombresappelésnombresquantiquesestnécessaire(chaque nombre étant lié à la quantification d’une grandeur physique précise: son énergie, sa distanceaunoyau,unepropriétéderotation,…). 1.Les4nombresquantiquesdécrivantl’étatd’unélectron a–3nombresquantiquesdéfinissentuneOrbitaleAtomique(OA) Une Orbitale Atomique (OA) permet de décrire l’état dans lequel se trouve l’électron dansunatomeenphysiquequantique. Uneorbitaleatomiqueestcaractériséeparladonnéede3nombres,quel’onappelleles nombres quantiques. Ces nombres associée à l’OA constituent un triplet d’entiers noté (n,l,ml). n 1 2 3 4 5 … Désignationdecouche K L M N O … Valeurden n l 0 1 2 3 4 … Désignation ns np nd nf ng alphabet… delasous-couche sharp principal diffuse fundamental alphabet… Chapitre 6 – Elément et atome – Page 9 DL Au bout du compte, tout triplet (n, l, ml) définit donc une orbitale atomique et cette dernièrepeutêtrereprésentée,figurée,parunecasequantique: l"="0 l"="1 1"case"quantique 3"cases"quantiques l"="2 5"cases"quantiques b–Lequatrièmenombrequantique:lenombrequantiquemagnétiquede spinms. L’état de l’électron est totalement connu en introduisant un quatrième nombre quantique,lenombrequantiquemagnétiquedespindel’électron. Tous les électrons de tous les atomes de tout l’univers possèdent un spin, sans équivalent classique mais nécessaire en physique quantique pour interpréter certains faitsexpérimentaux,quivauts=½. Ainsi, le nombre quantique de spin, noté s et qui vaut pour tous les électrons de l’universs=+1/2,necaractérisepasunélectronpuisqu’ilestcommunàtous. Ces deux états possibles de spin sont désignés par les lettres α et β, ou encore par les flèchesopposéesá(spinup)etâ(spindown). 2.Quantificationdel’énergiedel’électronetnombresquantiquesnetl Cette quantification de l’énergie de l’électron dans l’atome résulte de l’observation de plusieursfaitsexpérimentauxdudébutXXèmesiècle):travauxdePlancketEinsteinsur le rayonnement du corps noir et l’effet photovoltaïque; observations de spectres de raiesdesatomes,… a-Atomeàplusieursélectrons:touslesatomessaufH Chapitre 6 – Elément et atome – Page 10 DL L’énergie d’un électron dans un atome ne peut prendre que certaines valeurs précises,encoreditediscrètes:cetteénergieestquantifiée,etcettedémonstrationde la quantification de l’énergie de l’électron a permis d’interpréter les spectres de raies desatomes. Danstoutatomeautrequeceluid’hydrogène,l’énergiedel’électrondépenddesdeux nombresquantiquesnetl. Chaquecouple(n,l)correspondàunniveaud’énergie:E=E(n,l). Commenetldéfinissentunesous-couche, touteslesOAd’unemêmesous-coucheontlamêmeénergie. L’énergied’unatomeestlasommedesénergiesdechacundesélectrons. niveau"d’énergie"de"la" sous"couche"3d 3d l"="2 niveau"d’énergie"de"la" sous"couche"3p 3p l"="1 niveau"d’énergie"de"la" sous"couche"3s l"="0 3s Figure 1 : 1+3+5 = 9 = 3x3 OA N’ont PAS la même énergie dans tout autre atome que H b-Casdel’hydrogène;extensionauxsystèmeshydrogénoïdes. L’atomed’hydrogènepossède1électron. Un système hydrogénoïde est une entité qui contient 1 seul électron (ex: ion He+,Li2+,…,O7+). Dansl’atomed’hydrogène,plusgénéralementdanstoutsystèmeà1seulélectron (systèmehydrogénoïde),l’énergiedel’électronnedépendqueduseulnombre quantiquen,nombrequantiqueprincipal: E=E(n)=En=- 13,6 n2 /eVn∈N* Rappel:1eV=1,6.10-19J Dans tout système à 1 seul électron lié à un noyau de charge Z (système hydrogénoïde), l’énergie de l’électron ne dépend que du seul nombre quantique n, Chapitre 6 – Elément et atome – Page 11 DL nombre quantique principalet prend la forme de celle de l’atome H, au facteur Z2 multiplicatifprès. Atomed'hydrogène Ionhydrogénoïde Chargedunoyau 1.e EnergieEndu niveaun − 13,6 n 2 Z.e − 13,6 n2 .Z2 Danstoutautresystèmeàplusd’unélectron,onconsidèrequ’unélectrondonnéne perçoit pas la charge Z du noyau, mais une charge affaiblie par la présence des autres électrons et qui est notée Zeff. Zeff est appelée la charge nucléaire effective, et elle dépenddesdeuxnombresquantiquesnetl. c-Lediagrammedesniveauxd’énergied’unatomedonné Un niveau d’énergie est dit dégénéré dès que lui sont associées plusieurs orbitales atomiques.Enparticulier,onremarqueraetonretiendraque: Toutes les OA de l’atome H qui ont le même nombre quantique n ont la même énergieetleniveaud’énergieestn2foisdégénéré. Toutes les OA d’un atome autre que H qui ont les mêmes nombres n et l ont la mêmeénergieetleniveaud’énergieest(2l+1)foisdégénéré. Distinguonsdeuxdiagrammespourtenircomptedespointsaetbprécédents:celuide l’atome d’hydrogène, et celui des autres atomes. Les niveaux d’énergie des différentes orbitales atomiques peuvent alors être précisés: au lieu de représenter les cases quantiquesparunecase,onlasymboliseparfoisparuntrait. AtomesaufH AtomeH Energie 4p 3d Energie 4s n=6 n=5 3p n=4 3s 2p n=3 n=2 2s 1s n=1 4s 4p 4d 3s 3p 3d 2s 2p 4f 1s Rem:les7OA4fnesontpasreprésentéesparmanquedeplace. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 12 DL Etlenombrequantiquemagnétiqueml?Ildécritlecomportementd’unélectrondansun champmagnétique. 3.Cequ’ilfautretenir Les4nombresquantiquesn,l,mletmsquipermettentdeconnaîtrel’étatd’unélectron dansunatomesont: nrenseignesurlatailledel’orbitale • n,nombrequantiqueprincipal: n∈N* orbitale 1 : 1s orbitale 2 : 2s lrenseignesurlaformedel’orbitale • l,nombrequantiquesecondaire ouazimutal,entiertelque: 0!l<n orbitale 3 : 1s orbitale 4 : 3p orbitale 5 : 3d • ml, nombre quantique magnétique,telque: -l!ml!+l mlrenseignesurl’orientationdel’orbitale orbitale 7 : 2p-1 orbitale 6 : 2p1 • ms, nombre quantique magnétique de spin, qui peut prendre2valeurs: ms=+½ou–½. Rem: en mécanique quantique, une orbitale atomique est une fonction mathématique qui contienttoutel’informationrelativeàl’électrondansunatome.Elles’obtientenrésolvantune équation,équationquiportelenomdesondécouvreur,l’équationdeSchrödinger. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 13 DL Niveaun Valeurdel Valeurdeml 1 0 0 0 0 -1 0 +1 0 -1 0 +1 -2 -1 0 1 2 … 2 1 0 1 3 2 4 … Nomdela sous-couche 1s 2s Nombres d’OA 1OA 1OA 2p 3OA dégénérées ___ 3s 1OA _ 3p 3OA dégénérées ___ 3d 5OA dégénérées _____ … … … Schéma _ _ IIIConfigurationélectroniqued’unatome.Règlesàrespecter 1.Définition Ecrire la configuration électronique d’un atome, c’est préciser quel est le remplissagedesdifférentescouchesetsous-couches. Ceremplissageobéitàquelquesrèglesetprincipesénoncésci-dessous. 2.Règlesetprincipesàrespecter a.Leprinciped’exclusiondePauli(1925) «Dans un atome polyélectronique, deux électrons ne peuvent pas avoir leurs 4 nombres quantiques identiques». Chapitre 6 – Elément et atome – Page 14 DL Conséquencesdeceprincipe: • Uneorbitaleatomiquenepeutcontenirauplusquedeuxélectrons,quidiffèrent alorsparleurnombredespin. • Si deux électrons ont le même nombre de spin, ils ne peuvent pas occuper une mêmeorbitaleatomique. • Lacouchenestremplieavec2n2autotal. b.Larègle(empirique)deKlechkowski Dans un atome donné, l’énergie d’une orbitale atomique est une fonction croissante delasomme(n+l);à(n+l)donné,l’énergieestunefonctioncroissanteden. Attention, cette règle soufre de nombreuses exceptions, de plus en plus nombreuses lorsqueZcroît.Iln’estpasnécessairedeconnaîtrecesexceptions,maisilpeutparfois êtrepossibledelesinterpréter«assezfacilement». QuelquesexceptionsàlarègledeKlechkowskisontàconnaître,commepourlesatomes Cr,Cu,AgouencoreAu. Onpeutretrouverl’ordrederemplissagedessous-couchesparénergiecroissanteavec unpetitdiagrammecommeceluiquisuit: l 0 1 2 3 4 n 7 7s 7p 7d 7f 7g 6 6s 6p 6d 6f 6g 5 5s 5p 5d 5f 5g 4 4s 4p 4d 4f 3 3s 3p 3d 2 2s 2p 1 1s Ainsi,l’ordrederemplissagedesdifférentesOAestlesuivant: Chapitre 6 – Elément et atome – Page 15 DL 1s 2s 2p3s 3p4s 3d4p5s 4d5p6s 4f5d6p7s 5f6d7p n+l = 1 2 3 4 5 6 7 8 Cequ’ilfautfaire: Chapitre 6 – Elément et atome – Page 16 DL c.LarègledeHund Lorsque les électrons peuplent les orbitales atomiques d’un niveaud’énergiedégénéré,lastabilitémaximaleestatteinteen plaçant le maximum d’électrons seuls dans chaque orbitale etdanslemêmeétatdespin Multiplicitédespinmaximale «Lesélectronstendentàrestercélibataires.» «mêmeétatdespin»=mêmevaleurdems. Exemple:occupationdeladernièresous-couche3dparles6électrons3ddufer(Z=26) l"="2 3d 3.Configurationélectroniquefondamentaled’unatome.Principed’Aufbau,oude construction:«Aufbauprinzip». a.Configurationélectroniquedel’atomeZX. La configuration électronique fondamentale d’un atome est celle qui minimise son énergie.ElleestobtenueenrespectantlesrèglesprécédentesetenremplissantlesOA parvaleurd’énergiecroissante. L’état fondamental de l’atome est celui d’énergie minimale: tous les autres états où l’électronsrestenttousliésaunoyausontdesétatsexcités. Rem:siunatomeperdunélectron,ilestdansunétationisé Exemple: Configurationélectroniquefondamentaledel’atomedechlore(Z=17): b.Configurationélectroniquedel’anionZXq-. Elleestécriteenrajoutantlesqélectronssupplémentairesdanslessous-couchesencore incomplètesoud’énergiejustesupérieure. Exemple: Configurationélectroniquefondamentaledel’ionchlorureCl-(Z=17et18électrons): Chapitre 6 – Elément et atome – Page 17 DL c.ConfigurationélectroniqueducationZXp+. Elleestécriteenenlevantlespélectronspartantsdenombrequantiqueprincipal n le plus élevé, soit dans les sous-couches les dernières remplies SAUF pour les élémentspossédantunesous-couchedjustetotalementoupartiellementremplie. Pour les éléments possédant une sous-couche d juste totalement ou partiellement remplie,cesontd’abordlesélectronsdelasous-couchens2quipartent,ensemble,avant ceuxdelasous-couche(n-1)dy. Exemple: Configurationélectroniquefondamentaledel’ionchlorureCl+(Z=17et16électrons): ConfigurationélectroniquefondamentaleduferFe(Z=26),deFe2+etFe3+: ConfigurationélectroniquefondamentaleducuivreCu(Z=29)etCu2+: 4.Electronsdecœuretélectronsdevalence a.Définition Lesélectronsquisontmisenjeudanslesréactionschimiquesquiimpliquentun élément chimique sont les électrons de valence.Ilestdoncimportantdesavoirles repérerdanslaconfigurationélectroniqued’unatomedonné. Les électrons de valence d’un atome sont les plus externes. Ce sont les électrons de nombrequantiqueprincipalnleplusélevéetceuxdessous-couches(n-1)dou(n-2)fen coursderemplissage. Ce sont ces seuls électrons de valence qui sont responsables de propriétés chimiquesdel’élémentetcesonteuxquisontdoncmisenjeudansl’établissementdes liaisonschimiques. Lesautresélectrons,fortementliésaunoyausonteuxappelés«électronsdecœur». Chapitre 6 – Elément et atome – Page 18 DL b-Prévisiondelaformuledesionsmonoatomiquesd’unélémentdonné Nous reverrons un peu plus loin le concept d’électronégativité étudié en classe de première.Utilisons-letelquevousl’avezvujusqu’àaujourd’hui. Dansl’atomeAd’unélémentdonné,lesélectronsquisontmisenjeudanslesréactions sontlesélectronsdevalence.Supposonsqu’ilenaitp.Alors,ilyadeuxsituations: • Soit A est lié à un atome B plus électronégatif que lui: alors il cède ses p électronsdevalence.ApassesoussaformecationiqueAp+. • Soit A est lié à un atome B moins électronégatif que lui: alors il capte les électrons suffisants pour qu’il réalise un octet d’électrons de valence. On retrouveraAsouslaformeanioniqueA(8-p)-. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 19 DL IVInteractionsmatière-rayonnement L’analyse de la lumière qui est absorbée ou émise par un corps s’appelle la «spectroscopie». La spectroscopie a joué, et joue toujours, un rôle central dans l’analysedesélémentsmicroscopiquesquiconstituentunobjet. caractèreondulatoiredelalumière Lesdifférentesrégionsduspectreélectromagnétique. Isoléendessous:domainedelalumièrevisible. Lalumièreestunrayonnement électromagnétiquequipeutêtredécritparuneonde longueur d’onde λ et une fréquence ν, telles que λ = c/ν où c est la vitesse de la lumièredanslevide.Lalumièrepeutêtreaussidécritepardesphotonsquitransporte chacununecertainequantitéd’énergie,onparledequantumd’énergie,etcetteénergie E est proportionnelle à la fréquence ν de la lumière: E = h.ν. h est une constante fondamentale,c’estlaconstantedePlanck. Dans notre vie quotidienne, nous sommes régulièrement confrontés aux interactions entrematièreetrayonnement: • Onparlede«ferchaufféaurouge»ou«chaufféàblanc» • Oneffectuedesradiographies. Danschaquecas,lerayonnementpeutêtresoitémis,soitabsorbé. En chimie, «réaliser un spectre» consiste à mesurer l’absorption ou l’émission d’un rayonnementdelongueurd’ondedonnéparuncorps. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 20 DL Il existe deux grands types de spectres: les spectres continus et les spectres discontinus: • Sur un spectre continu, le corps émet un rayonnement continu dans la zone de longueurd’ondeconsidérée(commeparexemplelalumièrenaturelle). • Surunspectrediscontinu,onobserveradesraiesindiquantqueseulescertaines longueurs d’onde sont émises par le corps étudié. Par exemple, le sodium va émettredanslejaune-orangélorsdeladésexcitationd’undesesélectrons.Cette lumière est celle émise par les lampes éclairant les rues et les tunnels par exemple,ouencoreparlalampeàvapeurdesodiumdupolarimètredeLaurent. Dans la suite de notre cours, nous restreindrons notre étude à la lumière formée de photons de faible énergie, c’est à dire à l’étude du rayonnement radio-fréquence jusqu’au proche UV. Dans ce chapitre précisément, il n’y a que les radiations du domainevisibleetUVquisontmisesenjeu. Nous traiterons la matière et la lumière au niveau des phénomènes microscopiques doncquantiques. 1.Absorptionetémission Noussavonsdéjàque: • Danstoutatome,l’énergiedesélectronsestquantifiée.Ellenepeutprendreque certainesvaleurs,quisontparailleursnégatives. • L’électron «ne rayonne pas» lorsqu’il est dans un état stationnaire, mais uniquement lorsqu’il saute d’un état stationnaire à un autre dont l’énergie est plusfaible.Ilémetalorsunrayonnementdontlafréquenceestcaractéristiquede l’atome. L’électron ne peut s’éloigner indéfiniment du noyau de l’atome: on dit que les états stationnairesdel’électronsontdesétatsliés. L’absorptiond’unphotond’énergieΔΕ=h.ν=h.c/λcorrespondaupassagedel’atome de son état fondamental à un de ses états excités. L’état fondamental d’un atome est l’état stable: c’est celui d’énergie minimale. Sous l’action d’une perturbation, l’atome peutquittercetétatstablepourêtreportéàunétatexcité.Ilyresteratrèspeudetemps avant de retourner spontanément à l’état fondamental. On appelle “transition” cette évolutionaucoursdelaquellel’atomepassed’unétatàunautreétat(étatfondamental etétatsexcités). • Une transition électronique correspond au passage d’un état, ou configuration électroniqueparticulièreàunnouvelétat,ounouvelleconfigurationélectronique. C’estaucoursd’unetransitionqu’unphotonestémisouabsorbé. • Dans un spectre d’émission, on observe le passage de l’atome d’un niveau d’énergie Ep vers un niveau d’énergie En plus faible ; un photon d’énergie ε est émisaucoursdecettedésexcitation: Chapitre 6 – Elément et atome – Page 21 DL ΔΕ = h.ν = h • c λ = Ep - En Dansunspectred’absorption,c’estlepassaged’unétatd’énergieinférieurevers unétatd’énergiesupérieurequisetraduiraparuneraieàlalongueurd’ondeλ telleque: c ΔE = h.ν = h = En - Ep λ Seulslesphotonsayantuneénergieexactementégaleàladifférenced’énergieentre deuxniveauxdel’atomepourrontêtreabsorbés,ouémis: E Ep Èl ec tr on E Ep p h o to n È m is En En EMISSION : elle correspond ‡ la dÈsexcitation de l'atome E E Ep Ep En En p h o to n ab s o rb È ABSORPTION : elle correspond ‡ l'excitation de l'atome 2.Spectred’émissiondel’atomed’hydrogène:l’atomeestdémasqué! Reprenonslecasdenotreatomed’hydrogène: Lespectred'émissiondel’atomed’hydrogèneestobtenuensoumettantduhydrogène, gazeux, sous faible pression, à une décharge électrique, dans un tube de Geissler. Les molécules de dihydrogène sont dissociées en hydrogène atomique. En analysant le rayonnement émis par cet hydrogène atomique, on observe un spectre constitué de 4 raies dans le domaine du visible. Le spectre ne comportant que quelques raies est un “spectrediscontinu”,ou“spectrederaies”. Pour le soleil par exemple, des raies correspondant cette fois à l'absorption furent observéesdès1814parFraunhofer. L’atomed’hydrogène,leplusléger,alespectreleplussimple. Chapitre 6 – Elément et atome – Page 22 DL Spectred'émissiondel'hydrogènegazeuxobtenudanslarégionduvisibleetdel’UV proche Spectred'émissiondel'hydrogènegazeuxobtenudanslarégionduvisible Wollaston et Fraunhofer ont beaucoup travaillé sur ces spectres caractéristiques de chaque atome (Fraunhofer a étudié le spectre d’émission du soleil dès 1814). Les spectressontgénéralementcompliqués,maislesuisseBalmeretlesuédoisRydbergont découvert “un code mystérieux” qui régissait l’allure de ces spectres. Une série arithmétique permet d’engendrer, fréquence après fréquence, l’ensemble du spectre d’unélément. En 1885 (année de naissance de Bohr, le 7 octobre), Balmer (1825-1898), instituteur bâlois féru de numérologie, étudia les raies du spectre d’émission de l’atome d’hydrogène situées dans le visible, et remarqua, en notant toujours ν les fréquences, quel’onavait: 1 1 ν ∝[ - 2 ] 4 p Cetterelationprécédentepeuts’écrireaussi: σ= 1 1 1 = R H [ - 2 ] λ 4 p σ est appelé “nombre d’onde” : il s’exprime en m-1 dans le système S.I ; RH est la constante de proportionnalité déterminée alors expérimentalement, appelée constante deRydberg,etquivaut:RH=1,0967757.107m-1soit109677cm-1. σ / cm−1 = 1 = 109 680[ 1 - 12 ] λ 4 p JohannesRYDBERG Chapitre 6 – Elément et atome – Page 23 DL LaconstanteportelenomduspectroscopisteJohannesRydbergquiaexpliquétoutes lesraiesduspectredel’atomed’hydrogèneengénéralisantlaformuledeBalmer. Ensuite,en1908,Ritzgénéralisalaformuleprécédenteàtouslesatomes,souslaforme: σp,n = 1 = RAtome[ 12 - 12 ] n p λp,n Danscesdeuxexpressions,netp∈N*etn<p RAtomeuneconstantepourunatomedonné,différentedeRH. σestlenombred’onded’uneradiationémiseparunatome. Nom de différentes séries Energie n = infini n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n =1 Paschen Brakett Pfund Humphreys 1906-1014 Lyman Balmer 1885 1908 1922 1924 1953 n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 n=6 Les autres séries n ont pas de nom L’état correspondant à n = 1 est celui d’énergie minimale: on dit que c’est l’état fondamentaldel’atomed’hydrogène. Les autres états, correspondants à n plus grand que 1, sont des états dits excités: ce n’estpasunétatstable,maisl’électronesttoujoursliéaunoyau. Lorsquentendversl’infini,l’étatd’énergieestE=0:c’estl’étationisé:l’électronn’est plusliéaunoyau,ilestlibre. Nousallonsgénéraliserceciàd’autresatomesenexercices… Nousconnaissonsbiendésormaisl’atome,etcequipermetdedécriresonétat. Décrivons maintenant la classification périodique des éléments en se basant sur les configurationsélectroniquesdesatomes… Chapitre 6 – Elément et atome – Page 24 DL
