Cinquième chapître Première période Plan du cours L`atome Lycée
publicité
Plan du cours Première période Cinquième chapître L’atome PCSI PCSI D.Lecorgne Lycée Jean Dautet lycée Jean Dautet Architecture de la matière Chapitre 1 : élément et atome Chapitre 2 : la classi/ication périodique des éléments Chapitre 3 : molécules et solvants Cours de chimie de première période de PCSI Objets et objectifs de ce chapitre Décrire complètement l’état d’un électron dans un atome, puis décrire l’atome lui-­‐même, en distinguant ses électrons de cœur et ses électrons de valence. Etudier l’outil essentiel qu’est la classi<ication périodique des éléments : bien en connaître la construction et être capable d’en extraire toutes les informations. Quel outil merveilleux !! Discuter de l’évolution d’une notion fondamentale en chimie : l’électronégativité (abordée en classe de Première) Préparer le chapitre suivant relatif aux molécules, et autres édi/ices polyatomiques. D’après le Livre d’or de l’IUPAC INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY International Union of Pure and Applied Chemistry Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée : UICPA I Elément chimique et atome 1. L’élément chimique D’après le Livre d’or de l’IUPAC, http://goldbook.iupac.org « Un élément chimique désigne l'ensemble des atomes et ions qui sont caractérisés par un nombre dé/ini de protons dans leur noyau atomique. Ce nombre, noté Z, est le numéro atomique de l'élément chimique ». 5 Toute matière est faite de diverses combinaisons des formes les plus simples de la matière : les éléments chimiques Un élément chimique désigne un ensemble d’entités chimiques qui possèdent le même nombre de protons Z dans son noyau. Elément Abondance des différents éléments dans le corps humain «standard» de masse = 70 kg 61,3 % 22,8 % 10,0 % 2,6 % 1,4 % 1,1 % 0,0 % 0,1 % 0,1 % 0,2 % 0,2 % Oxygène Calcium Sodium Fer Strontium Aluminium Etain Or Cobalt Carbone Phosphore Chlore Fluor Brome Cadmium Manganèse Molybdène Uranium Hydrogène Soufre Magnésium Zinc Plomb Bore Iode Chrome Béryllium Azote Potassium Silicium Rubidium Cuivre Barium Nickel Césium Quantité en g Oxygène 43000 Carbone 16000 Hydrogène 7000 Azote 1800 Calcium 1000 Phosphore 780 Soufre 140 Potassium 140 Sodium 100 Chlore 95 Magnésium 19 Silicium 18 Fer 4,2 Fluor 2,6 Zinc 2,3 Rubidium 0,32 Strontium 0,32 Brome 0,20 Plomb 0,12 Cuivre 0,072 Aluminium 0,061 Cadmium 0,050 Bore 0,048 Barium 0,022 Etain 0,017 Manganèse 0,012 Iode 0,013 Nickel 0,010 Or 0,010 Molybdène 0,0093 Chrome 0,0018 Césium 0,0015 Cobalt 0,0015 Uranium 0,00009 Béryllium 0,000036 69580 Chaque élément chimique est représenté par un symbole chimique d’une ou deux lettres. symbole chimique de l’élément carbone Z=6 symbole chimique de l’élément sodium Z = 11 2. L’entité chimique et l’espèce chimique Employons un vocabulaire précis en distinguant une espèce chimique et une entité chimique : « Entité chimique » désigne tout atome, molécule, ion, paire d’ions, radical, diradical, ion radical, complexe, conformère, etc., bien dé/ini chimiquement ou isotopiquement et qui peut être identi/ié individuellement. « Espèce chimique » désigne un ensemble d’entités chimiques (atomes, molécules,…) structuralement et chimiquement identiques. Ex : « le cuivre » désigne une espèce chimique et l’on pourra étudier la formation d’un atome de cuivre, donc d’une entité, à une cathode lors d’une électrolyse par exemple. 5 3. De l’atome au corps simple a – Composi5on de l’atome Pour les besoins du chimiste, on peut considérer que l’atome est constitué de trois particules : Le noyau de l’atome comporte Z protons, et N neutrons. Le nombre de masse de l’atome est A = Z + N Un cortège de Z électrons autour du noyau 5 Toute matière est faite de diverses combinaisons des formes les plus simples de la matière : les éléments chimiques Un élément chimique désigne un ensemble d’atomes qui possèdent le même nombre de protons Z dans son noyau. le noyau contient : Z protons N neutrons il y a un cortège électronique de : Z électrons diamètre : 1.10-10 m = 100 pm Atome diamètre : 1.10-15 m Noyau Z électrons masse : me = 9,1094.10-31 kg charge : qe = - 1,602.10-19 C Z protons N neutrons masse du proton : mP = 1,6726.10-27 kg masse du neutron : mN = 1,6749.10-27 kg charge du proton : qP = + 1,602.10-19 C charge : qN = 0 6 diamètre : 1.10-10 m = 100 pm Atome ! Masse diamètre : 1.10-15 m Noyau Z électrons masse : me = 9,1094.10-31 kg charge : qe = - 1,602.10-19 C Z protons N neutrons masse du proton : mP = 1,6726.10-27 kg masse du neutron : mN = 1,6749.10-27 kg charge du proton : qP = + 1,602.10-19 C charge : qN = 0 de l’électron vaut 9,1.10-31 kg ! Masse du proton vaut 1,673.10-27 kg ! Masse du neutron vaut 1,675.10-27 kg Mn ≈ mp = 1836 me ! Dimensions d’un atome : 10-10m (100 pm) ! Dimensions d’un noyau : 10-15 m (1 fm) 1 mm 100 m b – Isotopie -­‐ Défini(on Deux atomes qui ont même numéro atomique Z mais un nombre de masse A différent sont des isotopes. (isotope : mot inventé par Sir Freddy Soddy en 1913 : iso-­‐topos : « même place dans la classi/ication périodique). 6 Autre exemple, nous relevons pour le chlore : Soddy a utilisé la première fois le mot « isotope » dans un article de 1913 : « The same algebraic sum of positive and negative charges in the nucleus, when the arithmetic sum is different, gives what I call « isotopes » or isotopic elements, because they occupy the same place in the periodic table ». ISOTOPES DE L’ETAIN Sn Les 13 isotopes de l'Ètain Sn 1877-1956 H2O : contient l’atome H H et D sont deux isotopes D2O : contient l’atome D de l’élément hydrogène H : 1 proton - 0 neutron - 1 électron D : 1 proton - 1 neutron - 1 électron 1 proton : donc MÊME élément chimique : l’hydrogène c -­‐ Mole et masse molaire Suivant les propositions entr’autres de l’IUPAC, la dé/inition de la mole fut /inalement adoptée par la 14ème CGPM ( Conférence Générale des Poids et Mesures1971, Résolution 3 ; CR, 78 et Metrologia, 1972, 8, 36) : 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 carbone 12 ; son symbole est « mol ». 2. Lorsqu’on emploie la mole, les entités élémentaires doivent être spéci<iées et peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons, d’autres particules ou des groupements spéci<iés de telles particules. Il en résulte que la masse molaire du carbone 12 est égale à 0,012 kilogramme par mole exactement, M(12C) = 12 g/mol. unité de masse atomique = uma notée u 1 u = 1/12ème de la masse d’une mole de carbone-12 : 1 u = 1,66054.10-24 g masse de l’isotope 1H : 1,007 825 031 6 u 9 La mole est dé/inie comme le nombre d'atomes de carbone présents dans 12g de carbone C-­‐12. Ce nombre est le nombre d’Avogadro, ou la constante d’Avogadro : NA = 6,022 1023 mol-­‐1. Cette valeur du nombre d'Avogadro a été déterminée par Perrin par plus d'une dizaine de méthodes au début du XXème siècle. Pour calculer la masse molaire d’un élément chimique, l’on tient compte bien entendu de son abondance isotopique. d – Corps simple -­‐ Défini(on Un corps simple est une espèce chimique ne comportant qu'un élément chimique. Si, dans le corps simple, les atomes de l'élément chimique sont réunis en molécules, on parle alors de corps simple moléculaire comme dans le cas du dihydrogène (H2), du diazote (N2), du diiode (I2), de l’ozone (O3). Dans le cas contraire, par exemple, celui des métaux ou des gaz monoatomiques, il s'agit de corps simples élémentaires : argent (Ag), cuivre (Cu), hélium(He), Krypton (Ar), etc... Allotropie L’allotropie (du grec allos autre et tropos manière) est la faculté de certains corps simples d’exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. Ainsi, par exemple, le graphite, le diamant, les fullerènes ou, découvert plus récemment le graphène, sont les variétés allotropiques du carbone au sens où ce sont différentes formes cristallines du corps simple correspondant à l'élément chimique carbone. Le dioxygène et le trioxygène (ou ozone) sont également des variétés allotropiques du corps simple correspondant à l'élément chimique oxygène, mais cette fois au sens où ce sont différentes formes moléculaires. 10 Un corps simple est constitué d’atomes qui possèdent tous le même nombre de protons : il est constitué d’un seul élément chimique. Chaque élément chimique est représenté par un symbole chimique d’une ou deux lettres. II Descrip5on de l’état d’un électron dans un atome Pour décrire l’état d’un électron dans un atome donné, la mécanique quantique montre que 4 nombres appelés nombres quantiques sont nécessaires (chaque nombre étant lié à la quanti/ication d’une grandeur physique précise). s e u iq t n a e . u d q t s éta e e r m ’ b l ’ato m t n o 4 n écrive dans l d ron t c e l’él 11 La mécanique quantique : l’une des plus grandes aventures intellectuelles de l’histoire de l’humanité Bohr À la quantité de héros , Qui, dans les années 1920, ont vaillamment mis sur pied Planck la théorie des quantas Pauli Schrödinger De broglie Hilbert Dirac Einstein Heisenberg dl Tuesday, September 03, 2013 Spectre de raies de l’atome H 62 14 dl lundi 2 septembre 13 Série de BALMER de l’atome H énergie n=∞ E3,2 =E3 – E2 = hc/ 3,2 - 13,6/62 - 13,6/52 n=6 n=5 E4,2 =E4 – E2 = hc/ 4,2 - 13,6/42 n=4 E5,2 =E5 – E2 = hc/ 5,2 - 13,6/32 n=3 E6,2 =E6 – E2 = hc/ 6,2 - 13,6/22 n=2 0 Série de BALMER dimanche 18 novembre 12 111 6,2 5,2 4,2 3,2 b -­‐ Cas de l’hydrogène ; extension aux systèmes hydrogénoïdes. Dans l’atome d’hydrogène, plus généralement dans tout système à 1 seul électron (système hydrogénoïde), l’énergie de l’électron ne dépend que du seul nombre quantique n, nombre quantique principal : E = E(n) = En = -­‐ 13,6/n2 en eV n = 1,2,3,... 13,6 / eV = ??? / kJ.mol-1 ! a.!Le!nombre!quantique!magnétique,!noté!ml!! ! !Il! décrit! le!b. comportement! d’un! dans! un! champ! magnétique,! Le triplet (n, l, m ouche, sous-­‐couche et orbitale atomique c’est! (OA)le! nombre! l) : célectron! quantique!magnétique,!noté!ml,!tel!que!:!! Chaque nombre n caractérise une couche électronique, repérée par une lettre ! majuscule : Pour!une!valeur!de!l!donnée,!!!!!l!!!m l!!!+!l!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!par!pas!de!1! ! ! n b.!Le!triplet!(n,!l,!ml)!:!couche,!sous`couche!et!orbitale!atomique!(OA)! !Chaque! nombre! n! caractérise! une! couche! électronique,! repérée! par! une! lettre! majuscule!:! ! n! 1! 2! 3! 4! 5! …! Désignation!de!couche! K! L! M! N! O! …! ! !Chaque! doublet! (n,l)! caractérise! une! sous`couche! électronique,! associée! à! un! niveau! d’énergie! E(n,l).! La! valeur! de! l! est! ainsi! codifiée! (code! hérité! des! spectroscopistes)!:! ! l! 0! 1! 2! 3! 4! …! Désignation!! s! p! d! f! g! …! de!la!sous=couche! sharp# principal# diffuse# fundamental# ! ! ! b.!Le!triplet!(n,!l,!ml)!:!couche,!sous`couche!et!orbitale!atomique!(OA)! ! Chaque doublet (n,l) caractérise une sous-­‐couche électronique, !Chaque! nombre! n!niveau caractérise! une!Ecouche! électronique,! repérée! par! associée à un d’énergie (n,l), repéré par l’écriture suivante : une! lettre! majuscule!:! ! n! 1! 2! 3! 4! 5! …! Désignation!de!couche! K! L! M! N! O! …! ! !Chaque! doublet! (n,l)! caractérise! une! sous`couche! électronique,! associée! à! un! niveau! d’énergie! E(n,l).! La! valeur! de! l! est! ainsi! codifiée! (code! hérité! des! spectroscopistes)!:! ! l! 0! 1! 2! 3! 4! …! Désignation!! s! p! d! f! g! …! de!la!sous=couche! sharp# principal# diffuse# fundamental# ! ! Tous!les!électrons!d’une!même!sous=couche!ont!la!même!énergie!car!E!=!E(n,l).!! ! ! !Tout! triplet! (n,! l,! ml)! définit! une! orbitale! atomique! et! cette! dernière! peut! être! représentée,!figurée,!par!une!case!quantique!:! ! l"="0 1"case"quantique Tous!les!électrons!d’une!même!sous=couche!ont!la!même!énergie!car!E!=!E(n,l).!! ! ! !Tout! triplet! (n,! l,! ml)! définit! une! orbitale! atomique! et! cette! dernière! peut! être! représentée,!figurée,!par!une!case!quantique!:! ! l"="0 l"="1 l"="2 ! ! 1"case"quantique 3"cases"quantiques 5"cases"quantiques ! atomiques.!En!particulier,!on!remarquera!et!on!retiendra!que!:! ! Toutes! les! OA! de! l’atome! H! qui! ont! même! nombre! quantique! n! ont! la! même! énergie!et!le!niveau!d’énergie!est!n2!fois!dégénéré.! ! 3s 3p 3d l"="0 l"="1 l"="2 niveau"d’énergie"n"="3 E"="613,6"/"32 ! Figure 1 : 1+3+5 = 9 = 3x3 OA ont la même énergie! ! Toutes! les! OA! d’un! atome! autre! que! H! qui! ont! les! mêmes! nombres! n! et! l! ont! la! même!énergie!et!le!niveau!d’énergie!est!(2l+1)!fois!dégénéré.! 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 ! Pour! connaître! l’état! d’un! électron! occupant! une! orbitale! atomique,! 3! nombres! quantiques!sont!donc!nécessaires!:! Tout triplet (n, l, ml) dé/init une orbitale atomique et cette dernière peut être représentée, /igurée, par une case quantique. Rem : en mécanique quantique, une orbitale atomique est une fonction mathématique qui contient toute l’information relative à l’électron dans un atome. Elle s’obtient en résolvant une équation, équation qui porte le nom de son découvreur, l’équation de Schrödinger. Un niveau d’énergie est dit dégénéré dès que lui sont associées plusieurs orbitales atomiques. En particulier, on remarquera et on retiendra que : • Toutes les OA d’un atome autre que H qui ont les mêmes nombres n et l ont la même énergie et le niveau d’énergie est (2l+1) fois dégénéré. • Toutes les OA de l’atome H qui ont même nombre quantique n ont la même énergie et le niveau d’énergie est n2 fois dégénéré. Erwin Schrödinger! 12!août!1887!–!4!janvier!1961! Physicien!autrichien! Pour connaître l’état d’un électron occupant une orbitale atomique, 3 nombres quantiques sont donc nécessaires : représentation d’une orbitale atomique diagramme des niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène Energie n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n=1 4s 4p 4d 3s 3p 3d 2s 2p 1s 4f diagramme des niveaux d’énergie d’un atome autre que l’atome d’hydrogène Energie 4p 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s levée de dégénérescence partielle 1s ! ! ! 3.!Le!4ème!nombre!quantique!ou!nombre!quantique!magnétique!de!spin!ms! ! L’état!de!l’électron!est!totalement!connu!en!introduisant!le!spin!de!l’électron.!A!ce!spin! électronique,!sont!associés!2!nouveaux!nombres!quantiques!:! ! • Le! nombre! quantique! de! spin,! noté! s! et! qui! vaut! pour! tous! les! électrons! de! l’univers!s!=!+1/2.! • Le!nombre!quantique!magnétique!de!spin,!noté!ms,!et!qui!vaut!soit!+1/2!,!soit! –! 1/2.! ! Ces! deux! états! possibles! de! spin! sont! désignés! par! les! lettres! α! et! β,! ou! encore!par!les!flèches!opposées!!(spin!up)!et!!(spin!down).! ! Ce!sont!donc!au!total!4!nombres!quantiques!qui!décrivent!un!électron!dans!un!atome!(le! 5ème,!s,!est!le!même!pout!tous!les!électrons)!:! ! Les! 4! nombres! quantiques! n,! l,! ml! et! ms! permettent! de! connaître! l’état! d’un! électron!dans!un!atome.! ! ! ! ! 44 Dans un article daté du 16 janvier 1925, Pauli explique que « les électrons manifestent une certaine ambivalence (« Zweideutigkeit »), dont on ne peut rendre compte que par un quatrième nombre quantique, qui vaut ½ ou -­‐1/2 » Pauli dl Tuesday, September 03, 2013 45 dl Tuesday, September 03, 2013 Ce sont donc 4 nombres quantiques qui décrivent l’état d’un électron dans un atome « Mon long chemin vers le principe d’exclusion avait quelque chose à voir avec la dif/icile transition du 3 vers le 4. Il fallait que j’assigne à l’électron un quatrième degré de liberté (le spin), en plus des trois déjà associés à son déplacement dans l’espace. » dl Tuesday, September 03, 2013 spectre de Na 589&589,6 nm doublet du sodium à 589 et 589,6 nm III Configura5on électronique d’un atome. Règles à respecter 1. Dé<inition Ecrire la con<iguration électronique d’un atome, c’est préciser quel est le remplissage des différentes couches et sous-­‐couches. dl Tuesday, September 03, 2013 2. Règles et principes à respecter a. Le principe d’exclusion de Pauli (1925) «Dans un atome polyélectronique, deux électrons ne peuvent pas avoir leur quatre nombres quantiques identiques» Conséquences de ce principe : •Une orbitale atomique ne peut contenir au plus que deux électrons, qui diffèrent alors par leur nombre de spin. •Si deux électrons ont le même nombre de spin, ils ne peuvent pas occuper une même orbitale atomique. •La couche n est remplie avec 2n2 au total. ! ! Dans!un!atome!donné,!l’énergie!d’une!orbitale!atomique!est!une!fonction!croissante!de! la!somme!(n+l)!;!à!(n+l)!donné,!l’énergie!est!une!fonction!croissante!de!n.! ! ! Attention,! cette! règle! soufre! de! nombreuses! exceptions,! de! plus! en! plus! nombreuses! ! lorsque!Z!croît.!Il!n’est!pas!nécessaire!de!connaître!ces!exceptions,!mais!il!peut!parfois! être!possible!de!les!interpréter!«!assez!facilement!».! b.!La!règle!(empirique)!de!Klechkowski!! ! ! Quelques! exceptions! à! la! règle! de! Klechkowski! à! connaître,! comme! pour! les! ! atomes!Cr,!Cu,!Ag!ou!encore!Au.!! ! ! On!peut!retrouver!l’ordre!de!remplissage!des!sous=couches!par!énergie!croissante!avec! Dans!un!atome!donné,!l’énergie!d’une!orbitale!atomique!est!une!fonction!croissante!de! un!petit!diagramme!comme!celui!qui!suit!:!! ! la!somme!(n+l)!;!à!(n+l)!donné,!l’énergie!est!une!fonction!croissante!de!n.! ! ! l! 0! 1! 2! 3! 4! n! ! 7! 7s! 7p! 7d! 7f! 7g! Attention,! cette! règle! soufre! de! nombreuses! exceptions,! de! plus! en! plus! nombreuses! 6! 6s! 6p! 6d! 6f! 6g! lorsque!Z!croît.!Il!n’est!pas!nécessaire!de!connaître!ces!exceptions,!mais!il!peut!parfois! 5! être!possible!de!les!interpréter!«!assez!facilement!».! 5s! 5p! 5d! 5f! 5g! 4! ! 4s! 4p! 4d! 4f! ! ! Quelques! exceptions! 3!à! la! règle! de! à!! connaître,! comme! pour! les! 3s! 3p! Klechkowski! 3d! ! atomes!Cr,!Cu,!Ag!ou!encore!Au.!! 2! 2s! 2p! ! ! ! ! 1! 1s! ! ! ! ! On!peut!retrouver!l’ordre!de!remplissage!des!sous=couches!par!énergie!croissante!avec! ! un!petit!diagramme!comme!celui!qui!suit!:!! Ainsi,!l’ordre!de!remplissage!des!différentes!OA!est!le!suivant!:!! ! ! ! ! 1s! 2s! 2p!!3s! 3p!!4s! 3d!!4p!!5s! 4d!!5p!!6s! 4f!!5d!!6p!!7s! 5f!!6d!!7p! n+l! ! ! ! ! ! ! l! 0! 1! 2! 3! 4! ! =! 1! n! 2! 3!!! 4!! 5! 6!!! 7!!! 8! ! 7! ! 7s! 7p! 7d! 7f! 7g! ! n n+l 0 1 2 3 4 5 6 l 7 7 8 9 10 11 12 6 6 7 8 9 10 11 5 5 6 7 8 9 4 4 5 6 7 3 3 4 5 2 2 3 1 1 13 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 4. Electrons de cœur et électrons de valence a. Défini5on Les électrons qui sont mis en jeu dans les réactions chimiques qui impliquent un élément chimique sont les électrons de valence. Il est donc important de savoir les repérer dans la con/iguration électronique d’un atome donné. Les électrons de valence d’un atome sont les plus externes. Ce sont les électrons de nombre quantique principal n le plus élevé et ceux des sous-­‐couches (n-­‐1)d ou (n-­‐2)f en cours de remplissage. n° Période Dernière sous-couche en cours de remplissage 1:K Bloc s particulier Bloc s 2:L Bloc p Bloc s 3:M Bloc p Atome Z H 1 1s1 He 2 1s2 2 Bloc d Bloc p Gaz rare 1 Li 3 1s 2s 4 1s2 2s2 B 5 1s2 2s2 2p1 C 6 1s2 2s2 2p2 N 7 1s2 2s2 2p3 O 8 1s2 2s2 2p4 Chalcogène F 9 1s2 2s2 2p5 Halogène Ne 10 1s2 2s2 2p6 Gaz rare Na 11 1s2 2s2 2p6 3s1 Alcalin Mg 12 1s2 2s2 2p6 3s2 Alcalinoterreux Al 13 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 Si 14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 P 15 1s2 2s2 2p6 3s2 3p3 S 16 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4 Chalcogène Cl 17 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 Halogène 18 Alcalin Alcalinoterreux 2 2 6 2 6 2 2 6 2 6 1s 2s 2p 3s 3p Gaz rare K 19 1s 2s 2p 3s 3p 20 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 Sc 21 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 Ti 22 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d2 4s2 Métal de transition Métal de transition V 23 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 Métal de transition Cr 24 Mn 25 Fe 26 27 4s 1 Ca Co 4:N Anomalie Be Ar Bloc s Configuration électronique Alcalin 4s2 Alcalinoterreux Métal de transition 2 2 6 2 6 5 1 2 2 6 2 6 6 2 Métal de transition 2 2 6 2 6 7 2 Métal de transition 2 2 6 2 6 8 2 2 2 6 2 6 10 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 4s2 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s Métal de transition Ni 28 Métal de transition Cu 29 Zn 30 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 Ga 31 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p1 Ge 32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p2 As 33 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3 Se 34 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p4 Chalcogène Br 35 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p5 Halogène Kr 36 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 Gaz rare 1 Métal de transition IV Interac5ons ma5ère-­‐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’analyse des éléments microscopiques qui constituent un objet. La spectroscopie Obtention du spectre d’émission de Atomic Spectra l’atomeLine d’hydrogène Copyright McGraw-Hill 2009 22 H He Ne Na Fe Série de BALMER de l’atome H Energie / eV n=∞ E3,2 =E3 – E2 = hc/ 3,2 - 13,6/62 - 13,6/52 n=6 n=5 E4,2 =E4 – E2 = hc/ 4,2 - 13,6/42 n=4 E5,2 =E5 – E2 = hc/ 5,2 - 13,6/32 n=3 E6,2 =E6 – E2 = hc/ 6,2 - 13,6/22 n=2 0 Série de BALMER 6,2 5,2 4,2 3,2 Nom de différentes séries Energie n=! n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n =1 Lyman Balmer Paschen Brakett Pfund Humphreys 1906-1014 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 Gustav Kirchhoff 1837- 1898 Robert Bunsen 1811 - 1899 En 1835, Auguste Comte affirmait: "Nous ne saurons jamais étudier par aucun moyen la composition chimique des étoiles" 587 nm En 1868, c'est à l'aide d'un spectroscope à sept prismes que Norman Lockyer et Jules Janssen observèrent le Soleil lors d'une éclipse. C'est par l'analyse de la lumière solaire que Lockyer identifia un nouvel élément, l'hélium, que l'on ne découvrit que bien plus tard sur Terre. 589&589,6 nm Electromagnetic Spectrum Figure 06.01Figure 06.01 Copyright McGraw-Hill 2009 3 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. Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène : l’atome est démasqué ! Reprenons le cas de notre atome d’hydrogène : Le spectre d'émission de l’atome d’hydrogène est obtenu en soumettant du hydrogène, 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 “spectre discontinu”, ou “spectre de raies”. Pour le soleil par exemple, des raies correspondant cette fois à l'absorption furent observées dès 1814 par Fraunhofer. L’atome d’hydrogène, le plus léger, a le spectre le plus simple. Série de BALMER de l’atome H Energie / eV n=∞ E3,2 =E3 – E2 = hc/ 3,2 - 13,6/62 - 13,6/52 n=6 n=5 E4,2 =E4 – E2 = hc/ 4,2 - 13,6/42 n=4 E5,2 =E5 – E2 = hc/ 5,2 - 13,6/32 n=3 E6,2 =E6 – E2 = hc/ 6,2 - 13,6/22 n=2 0 Série de BALMER 6,2 5,2 4,2 3,2 Nébuleuse de Trifid, constellation du Sagittaire 5200 années lumière de la terre quelle est la transition électronique correspondante ? Lumière rouge due à des atomes d’hydrogène excités émettant de la lumière de longueur d’onde 656,3 nm jeudi 4 décembre 14 33 de la lumière de longueur d’onde 656,3 nm jeudi 4 décembre 14 jeudi 4 décembre 14 33 33 Nom de différentes séries Energie n = infini n=6 n=5 n=4 n=3 n=2 n =1 Lyman Balmer Paschen Brakett Pfund Humphreys 1906-1014 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 jeudi... Histoire et signification du Tableau Périodique des éléments chimiques Dans un supplément du New-York Times daté du 18 avril 1999, Oliver Sacks, neurologue et écrivain britannique, défend l’idée que « le tableau périodique des éléments chimiques est la meilleure invention du millénaire »…
