Une vision moderne de l ’atome L ’ATOMISTIQUE · Une vision moderne de l ’atome L...

Une vision moderne de lUne vision moderne de l ’ ’atomeatome

LL ’ ’ATOMISTIQUEATOMISTIQUE

Titre: l’atomistique

LumiLumièère et Onde Electromagnre et Onde Electromagnéétiquetique

λ.νλ.ν = c = c hh.ν.ν = E = E II≅≅ kA kA22

c = 2,997925.108 m.s-1. h est la constante de Planckh = 6,626 10-34 J.s.

Lumière et onde électromagnétique

ChampElectrique

Direction duChamp rayon lumineuxMagnétique

Longueur d'onde λ

A

Le Spectre Le Spectre ElectroMagnElectroMagnéétiquetique

λ.νλ.ν = c = c hh.ν.ν = E = E

510

910

1110

1310

1710

Radio Micro Infra-Rouge.

lointain; proche

Ultra-Violet Rx Rγ

1510

Visible

Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet 144,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7, 10

3km 30cm 3mm 0,03mm 300nm 3nm 3pm

ν

λ

La lumiLa lumièère est re est éémise ou absorbmise ou absorbééee

Le spectre électromagnétique

Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques


Les spectres atomiques

CollimateurPrisme

Film enregistreur



Gaz chauffé

CollimateurPrisme

Filmenregistreur

C’est un spectre d’émission


C’est un spectre d’absorption

CollimateurPrisme

Film enregistreur

H



avecavec ν ν = R . c (1/n = R . c (1/n1122 -1/n -1/n22

22) o) oùù n n11 = 1, 2, 3 = 1, 2, 3 ……..∞∞ n n22= n= n11+1, n+1, n11+2, n+2, n11+3+3……..∞∞

Gaz chauffé

CollimateurPrisme

Filmenregistreur

Lyman (UV)Balmer (visible)

Paschen (IR)Brackett

{ {Pour l ’hydrogène, on obtient le spectre d’émission ci-dessous


Une vision Une vision quantiquequantique des atomes des atomes

- L'atome de Rutherford ne peut exister- La théorie des quanta nous apprend que :

• Des échanges d'énergie entre matière et rayonnement de fréquence νse produisent par quantités discrètes appelées quantaquanta d'énergie hν.

• Les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme desparticules. Elles parviennent à arracher des électrons à la matière;c'est l'effet photo-électrique. Ces particules sont des photonsphotons• La vision de l'onde électromagnétique est maintenant doublepuisqu'elle est à la fois onde et corpuscule: E= E= hhνν etet p=h/ p=h/λλ

Une vision quantique des atomes

Le spectre des atomesLe spectre des atomes

- Quand un atome absorbe un rayonnement de fréquence ν,l'énergie correspondante hhνν est transférée à l'atome.

Il passe dans un état excité d’énergie E*=E + hhνν

• Ces échanges de photons se font à des fréquences {νν }caractéristiques de la nature de l’atome considéré.

Atome + Photon → Atome excité

Atome excité → Atome + Photon

- Quand un atome émet un rayonnement de fréquence ν,

E=E* - hhνν

Bohr en a donnBohr en a donnéé une premi une premièère interprre interpréétationtationElles constituent le Spectre de lSpectre de l’’atomeatome

{νν }

Le spectre des atomes

Le modLe modèèle de Bohr de l'atome d'hydrogle de Bohr de l'atome d'hydrogèènene

1) Equilibre des forces: centrifuge/centripète

2) Conservation de l ’énergie : E = E cinétique +E potentielle

3) Conservation du moment de la quantité de mouvement:

mv2

r+ k −e

2

r2 = 0

mv2

2+ k −e

2

r= En

L ’atome d’hydrogène existe et est stable.

Moment angulaire : mvr = constantHypothHypothèèse de Bohr se de Bohr : mvr =n.(h/2π) où n=1, 2, 3…∞

p+

r

e- v

Le modèle de Bohr et atome H2


1)

2)

3) en égalant

mv2

r= k e

2

r2 ⇒ mv

2= k e

2

r

Résolution du problème:

mvr = n h2π

⇒ (mvr)2= (n h

2π)2⇒ mv

2=n2

mr2 (h2π)2

k e2

r=n2

mr2( h2π)2 ⇒ r = n2h2

4π 2me2k= n2.a0

4) donc: v = n h2πmr

=2πkenh

2

⇒ v = 1nv0

5) En =mv

2

2+ k −e

2

r=−2π

2me

4k2

n2h2 =

−An2



En conclusion:

1) rn = n2.a0 = n

2.0,5297.10

−10m

n=1, 2, 3, …∞2)vn =1nv0 =

1n2,214.10

6m / s

3) En =−An2 =

−21, 757n2 10

−19j


Le modLe modèèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogèènene

-A

-A/4

-A/9

0-A/25-A/16

Energie n Etats

1

3

2

∞ 5 4

absorption émissionFondamental

Ionisé

Excitéssupérieurs

Premierexcité

}

{νν }


Le modLe modèèle ondulatoirele ondulatoire

- Le modèle de Bohr ne s’applique pas aux atomes autres quel’hydrogène, ni en présence d’un champ électrique ou magnétique

- Les expériences de diffraction montrent que l'électron possède lescaractéristiques d'une onde.

- - La longueur d'onde est déterminée par la relation de « « de Brogliede Broglie » » λλ=h/=h/mvmv

L ’O.E.M. est une onde aux caractéristiques corpusculaires.

L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires.

C’est la dualitdualitéé onde / corpuscule onde / corpuscule.

Le modèle ondulatoire

Le modLe modèèle ondulatoire (suite)le ondulatoire (suite)

- Le caractère ondulatoire de l’électron se décrit par une fonctionfonctiond'onde d'onde ΨΨ obtenue à partir de l’équation de SchrSchröödinger: H dinger: H ΨΨ =E =E ΨΨ

- L’électron ne possède pas de trajectoire.- - Seule sa probabilité de présence Ψ2 est mesurable.

nn est le nombre quantique principal. Il fixe l’énergie.

- Le comportement de l’électron de l’atome d’hydrogène sedécrit au moyen de 4 nombres quantiques: n, n, ll, m, s, m, s.

ll est le nombre quantique azimutal.

mm est le nombre quantique magnétique.

ss est le nombre quantique de spin.Il décrit une caractéristique intrinsèque de l’électron.

Le modèle ondulatoire(2)

RRèègles fixant les nombres quantiquesgles fixant les nombres quantiquesLe nombre quantique principal nLe nombre quantique principal n =1,2,3,…∞.Similaire au n de Bohr, il définit les « couches » d’énergie

Au nombre quantique azimutal, on associe dessymboles s, p, d, f s, p, d, fIls constituent des « sous-couches » au nombre de nn=1-> s; n=2 -> s, p; n=3 -> s, p, d; …

Le nombre magnétique fixe le nombre de « cases » ou« logettes » contenues dans les sous-couches

s p d f … 1 3 5 7 …

Le spin de lLe spin de l’é’électron slectron s peut prendre deux valeurs,la valeur +1/2, symbolisée par ↑;la valeur -1/2, symbolisée par ↓

Règles fixant les nbres quantiques

Le modLe modèèle ondulatoirele ondulatoire

- Le comportement de l’électron de l’atome d’hydrogène sedécrit en précisant ses 4 nombres quantiques.

Le modèle ondulatoire

- Lorsqu’on choisit une valeur pour ces nombres, on obtient uneorbitale par exemple 1s, 2s, 2p (2px, 2py , 2pz), 4d, 5f, …

Les Les éétats de ltats de l ’ ’hydroghydrogèèneneLes états de l’H2

n Symbole del’orbitale Energie Nombre Au total

1 1s E1=-A 1 12 2s E2=-A/4 1 4

2px E2 32py E22pz E2

3 3s E3=-A/9 1 93px E3 33py E33pz E33dxy E3 53dyz E33dxz E3

3dx2-y2 E33dz2 E3

La forme des La forme des éétats tats « « ss » » et et « « pp » »

1s1s 2s2s

2p2pzz 2p2pxx 2p2pyy

La forme des états S et P

La forme des La forme des éétats tats « « dd » »La forme des états « d »

ModModèèle en couches et configuration des atomesle en couches et configuration des atomes

précise l'organisation des électrons dans les atomes,c.à.d. leur configuration électronique

Principe d ’’éédification (dification (AufbauAufbau)) Utilisons les orbitales atomiques déduites de l'hydrogène.

- L'ensemble des électrons décrit par un même nombre nn constitueune couche électronique (1→K; 2→L; 3→M; 4→N; 5→O; 6→P)

- Les sous-couches sont définies à partir des valeurs: s, p, d, f…

Exemple: M → 3s, 3p ,

3d

- Les cases sont définies à partir de 1, 3, 5, 7, … possibilités

Modèle en couches

Energie et ordre de remplissage des couchesEnergie et ordre de remplissage des couches

6d 5 5f 7 7s 1 6p 3 5d 5 4f 7 6s 1 5p 3 4d 5 5s 1 4p 3 3d 5 4s 1 3p 3 3s 1 2p 3 2s 1 1s 1

Energie Symbole des Nombre de Structure des orbitales cases Sous-couches

Remplissage des couches

2 électrons peuvent donc partager la même case, s’ils diffèrent parleur spin:

RRèègles de construction des configurationsgles de construction des configurationsPrincipe d ’’éédification (dification (AufbauAufbau))

On empile les électrons un à un en respectant les niveaux d'énergie.

Le principe de PAULI précise que 2 électrons d’une configurationse distinguent par au moins 1 nombre quantique.

Chaque électron est caractérisé par 4 nombres quantiques n,l,m,s.

La règle de HUND précise que si plusieurs cases ont la mêmeénergie (sous-couche) les électrons se placent avec le spin maximal

1er 2nd ou

De mDe mêême pour 3 me pour 3 éélectrons :lectrons :

S=1S=1

S=1,5S=1,5

ouououou

Règles de construction des configurations

H 1eH 1e-- →→ 1s 1s11

He He 2e2e-- →→ 1s 1s22

Li 3eLi 3e-- →→ 1s 1s22 2s2s11

B B 5e 5e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p11

Be Be 4e4e-- →→ 1s 1s22 2s2s22

C C 6e 6e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p22

N 7eN 7e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p33

O 8eO 8e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p44

F 9eF 9e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p55

Ne 10eNe 10e-- →→ 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p66

CoucheCoucheKK

n=1n=1

CoucheCoucheLL

n=2n=2

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Le Tableau pLe Tableau péériodiqueriodiqueConstruction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l’atome en respectant les règles

Le tableau périodique

Le Tableau pLe Tableau péériodiqueriodiqueConstruction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l’atome en respectant les règles

H 1eH 1e-- →→ 1s 1s11

He He 2e2e-- →→ 1s 1s22

Li 3eLi 3e-- →→ HeHe 2s2s11

B B 5e 5e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p11

Be Be 4e4e-- →→ HeHe 2s2s22

C C 6e 6e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p22

N 7eN 7e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p33

O 8eO 8e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p44

F 9eF 9e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p55

Ne 10eNe 10e-- →→ HeHe 2s2s2 2 2p2p66

CoucheCoucheKK

n=1n=1

CoucheCoucheLL

n=2n=2

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Règles d’empillement des atomes

Le Tableau pLe Tableau péériodiqueriodiqueEnsuite pour la couche M:

Na 11eNa 11e-- →→ Ne Ne 3s3s11

Al 13eAl 13e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p11

Mg 12eMg 12e-- →→ Ne Ne 3s3s22

Si 14eSi 14e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p22

P 15eP 15e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p33

S 16eS 16e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p44

Cl 17eCl 17e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p55

Ar Ar 18e18e-- →→ Ne Ne 3s3s2 2 3p3p66

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Le tableau périodique (couche M)

Structure du TableauStructure du TableauAu total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; ns; (n-2)f; (n-1)d; npnpn Fonctions1 1s2 2s 2p3 3s 3p4 4s 3d 4p5 5s 4d 5p6 6s 4f 5d 6p7 7s 5f 6d 7p

Structure du tableau

Structure du TableauStructure du TableauAu total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; ns; (n-2)f; (n-1)d; npnpn Fonctions1 2 1s2 8 (10) 2s 2p3 8 (18) 3s 3p4 18 (36) 4s 3d 4p5 18 (54) 5s 4d 5p6 32 (86) 6s 4f 5d 6p7 32 (118) 7s 5f 6d 7p

Places disponibles

Structure du tableau (fonctions)

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0n=1

23 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb4 ns (n-1) d np567

Bloc s Bloc d Bloc p(n-2) f

Bloc f

Structure du TableauStructure du TableauEn termes de périodes - groupes et sous-groupes

Str. du tableau (places disponibles)

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0n=1

23 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb4 ns (n-1) d np567

Bloc s Bloc d Bloc p(n-2) f

Bloc f

Structure du TableauStructure du TableauEn termes de périodes - groupes et sous-groupes

Structure du tableau

Structure du TableauStructure du Tableau

Structure du tableau (élement)

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr



Les mLes méétauxtaux

Les métaux



Les mLes méétaux et les non mtaux et les non méétauxtaux

Les métaux et les non-métaux



Structure du TableauStructure du TableauL ’état physique des éléments:

Elément gazeux du tableau




Elément liquide du tableau




Elément solide du tableau

PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe rayon atomiqueLe rayon atomique- - Le rayon de covalence = moitié de la distance entre lesnoyaux du corps simple correspondant..

- - Le rayon de van der Waals = moitié de la plus petite distance entre deux noyaux de molécules différentes

2*2*rr((covcov))2*2*rr((vdwvdw))

Le rayon atomique

PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe rayon atomiqueLe rayon atomique- Propri- Propriééttéés du s du rayon de covalence

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Rayon atomiqueen nm

Z

Li

F

Na

Cl

K

Br

Propriétés du rayon de covalence



PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe rayon atomiqueLe rayon atomique

-C-C’’est une consest une consééquence de lquence de l’’Effet d ’écranZ*(+e) = Z(+e) -σ

- - Les rayons ioniques Par rapport Par rapport àà l l’é’élléément:ment:Rayon des cations Rayon des anions

Variation du rayon de covalence

PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe Potentiel dLe Potentiel d’’ionisation et lionisation et l’’affinitaffinitéé éélectroniquelectronique- - Le potentiel d ’ionisation est l’énergie nécessaire pourarracher un électron à un atome..

- - L ’affinité électronique est l’énergie qui se dégage lorsqu’unélectron est ajouté à l ’atome.

A A →→ A A++ + e + e- - EIEI((eVeV)) AA++ →→ A A2+2+ + e + e- - EIEI’’((eVeV)) ……

A A + e+ e- - →→ A A-- AAee((eVeV)) AA-- + e+ e- - →→ A A2-2- AAee’’((eVeV)) ……

Potentiel d ’ionisation

PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe Potentiel dLe Potentiel d’’ionisationionisation

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z

PIHe

Ne

ArKr

Li Na K

B

O

Al

S

Ga

Se

Graphe du potentiel d’ionisation



PropriPropriééttéés des s des éélléémentsmentsLe Potentiel dLe Potentiel d’’ionisationionisation

Variation du pot. d ’ionisation au des atomes



LL’é’électronlectronéégativitgativitééDDééfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, finie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au seinau seindes moldes molééculescules, , àà attirer vers soi les attirer vers soi les éélectronslectrons

F = 4, corps le plus F = 4, corps le plus éélectronlectronéégatifgatif

L ’électronégativité de Mulliken



LL’é’électronlectronéégativitgativitéé

Les métaux forts 0,7 << χ ≤ 1,2Les métaux faibles 1,5 ≤ χ ≤ 2,0Les non-métaux 2,1 ≤ χ ≤ 4,0

L ’électronégativité de Mulliken

DDééfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, finie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au seinau seindes moldes molééculescules, , àà attirer vers soi les attirer vers soi les éélectronslectrons

F = 4, corps le plus F = 4, corps le plus éélectronlectronéégatifgatif

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