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COURS DE COURS DE STRUCTURE DE LA STRUCTURE DE LA
MATIÈREMATIÈRE(Module Ph 13)(Module Ph 13)
11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
1
11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
2
3) Les atomes polyélectroniques
a) L’atome polyélectronique
b) Règles de remplissage des couches et sous-couches
c) Règles de Slater
5) La classification périodique des éléments
a) Classement des éléments
b) Les familles
c) Variation des masses atomiques
d) Variation des rayons atomiques
e) Variation des potentiels d’ionisation
f) Variation de l’électronégativité
g) Variation des rayons de valence
11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
3
Classement des éléments
Depuis l’Antiquité, quelques éléments étaient connus, certains pouvant être trouvés à l’état natif.
Au Moyen-âge, d’autres éléments furent découverts.
Vers 1700 on connaissait ainsi 32 éléments.
L’invention de la pile par Volta en 1799-1800 a permis d’isoler de nombreux éléments
1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
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Depuis l’Antiquité, quelques éléments étaient connus,
certains pouvant être trouvés à l’état natif.
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1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
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Au cours des années 1700 une vingtaine d’éléments nouveaux sont identifiés
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11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
6
En 1869, lorsque Mendeleïev a proposé sa classification, on connaissait 63
éléments.
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (en russe : Дми́#три́й Ива́#нови́ч Менделе#ев), (1834 1907 ) chimiste russe.Il est principalement connu pour son travail sur la classification périodique des éléments, publié en 1869 appelée aussi tableau de Mendeleïev. Il déclara que les éléments chimiques pouvaient être arrangés selon un modèle qui permettait de prévoir les propriétés des éléments non encore découverts.
11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
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1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
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Cu
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SnAg
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Na23
K39
Ca40Rb
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Mg24
Be9,4
Sr87
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N14
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In113
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Th231
Cl35,5
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H1
Li7
Na23
K39
Ca40Rb
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Be9,4
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Sn118
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Ru104
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H1
Li7
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K39
Ca40Rb
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B11
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U240
Th231
Cl35,5
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H1
Li7
Na23
K39
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Be9,4
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Sn118
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182W184
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Ir197
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Au199Hg
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Th231
Cl35,5
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H1
Li7
Na23
K39
Ca40Rb
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27,3
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P31 S
32Se78
B11
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In113
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Cr52
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Th231
Cl35,5
11/04/23 13Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
H1
Li7
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B11
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N14
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In113
Sn118
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Mn55
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Au199Hg
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Cl35,5
11/04/23 14Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
H1
Li7
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K39
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La180
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W184
Os195
Ir197
Pt198
Au199
Hg200
Tl204
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Bi208
U240
11/04/23 15Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
H1
Li7
Na23
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Ca40
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Al27,3
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Cl35,5
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B11
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In113
Sn118
Sb122
Te128
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Mn55
Fe56
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La180
Fa182
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U240
11/04/23 16Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Depuis longtemps, les chimistes ont constaté que certains éléments avaient les mêmes propriétés chimiques .
On peut alors les classer en « familles ».
b) Les familles
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Th231
H1
Li7
Na23
K39
Ca40
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Mg24
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Br80
As75
Al27,3
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B11
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In113
Sn118
Sb122
Te128
I127
Ti48
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Mn55
Fe56
Co59
Ni59
Cu63
Zn65
Yt88
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Nb94
Mo96
Ru104
Rh104
Pd106
Ag108
Cd112
Cs133
Ba137
Di138
Ce140
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La180
Fa182
W184
Os195
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Pt198
Au199
Hg200
Tl204
Pb207
Bi208
U240
11/04/23 18Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
H1
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W184
Os195
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Pt198
Au199
Hg200
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Certains éléments présentent une grande réactivité chimique à l’état solide, et semblent former des oxydes comparables.11/04/23 19Cours de structure de la matière Ph 13
M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
Li7
Na23
K39
Ca40
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B11
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Sn118
Sb122
Te128
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Fe56
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Ni59
Cu63
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La180
Fa182
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Pt198
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11/04/23 20Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
Li7
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P31
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In113
Sn118
Sb122
Te128
I127
Ti48
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Cr52
Mn55
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La180
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W184
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Pt198
Au199
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Ur240
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11/04/23 21Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
Li7
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Ca40
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Sn118
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La180
Fa182
W184
Os195
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Pt198
Au199
Hg200
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Ur240
H1
11/04/23 22Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
Li7
Na23
K39
Ca40
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Mg24
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Si28
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B11
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Sn118
Sb122
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H1
11/04/23 23Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Th231
Li7
Na23
K39
Ca40
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Al27,3
Si28
P31
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B11
C12
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In113
Sn118
Sb122
Te128
I127
Ti48
V51
Cr52
Mn55
Fe56
Co59
Ni59
Cu63
Zn65
Yt88
Zr90
Nb94
Mo96
Ru104
Rh104
Pd106
Ag108
Cd112
Cs133
Ba137
Di138
Ce140
Er178
La180
Fa182
W184
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Pt198
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Hg200
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11/04/23 24Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Les éléments présentant les mêmes propriétés chimiques reviennent avec une certaine périodicité dans la liste des éléments classés par ordre de masse molaire croissante.
On peut alors réorganiser cette liste sans changer l’ordre de masse croissante en mettant sur une même colonne les éléments ayant les mêmes propriétés.
11/04/23 25Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Mo96
Rh104
Pd106
11/04/23 26Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
Li7
Na23
K39
Ca40
Rb85
Mg24
Be9,4
Sr87
Al27,3
Si28
P31
S32
Cl35,5
B11
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N14
O16
F19
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Sn118
Sb122
Te128
I127
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Hg200
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Pb207
Th231
Bi208
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Se78
Ti48
V51
Cr52
Mn55
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Ni59
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Zn65
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11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
27
Le génie de Mendeleïev a été de comprendre que son tableau lui permettait de prévoir l’existence et les propriétés de deux éléments inconnus jusqu’alors: le gallium et le germanium, ils furent découverts peu après entre 1895 et 1900 grâce aux travaux de Bunsen et Kirchhoff sur l’analyse spectrale.
On notera l’absence d’éléments de la colonne 18
L’étude de la radioactivité par Becquerel en 1896 eut pour conséquence la découverte de nouveaux éléments.
11/04/23 Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
28
En hommage au travail de Mendeleïev, l’élément 101
porte son nom :
Md : mendélévium.
1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
A
P
Sb
As
L
Cu
S
SnAg
C
Fe
PbAu Hg
L
A
BiPt
NiMn
H
Cl
TeZr Mo
ONBe
ZnCoTi Cr
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4
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5
1
3
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ErTbLa Ce
Th
Ir
PdRu Rh
Os
Na Mg
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Li
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Y Nb
V
Ta
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B
I
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Cd In
Tl
Ga Ge
11/04/23 29Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
L : Lanthanides A : Actinides
1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
A
P
Sb
As
L
Cu
S
SnAg
C
Fe
PbAu Hg
He
Ar
Xe
Ne
Kr
L
A
BiPt
NiMn
H
Cl
TeZr Mo
ONBe
ZnCoTi Cr
W
U
4
6
5
1
3
2
7
ErTbLa Ce
Sc
TmDy Ho YbEu GdPr
F
SmNd
Th
Ir
PdRu Rh
Os
Na Mg
Rb Sr
Li
K Ca
Cs Ba
Y Nb
V
Ta
Al Si
B
I
Se Br
Cd In
Tl
Ga Ge
11/04/23 30Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
UuhUuqUubHs MtUunUuuRf Db Sg Bh
MdCf Es Fm NoBk Lr
UuhUuqUubHs MtUunUuuRf Db Sg Bh
MdCf Es Fm NoBk Lr
1 1613 14 15 172 3 128 9 10 114 5 6 7 18
A
P
Sb
AsSc
L
Cu
S
SnAg
C
Fe
PbAu Hg
L
A
Pm
Np Pu Am Cm
Tc
Fr
At
Ra
PoHf Re Rn
Lu
Ac Pa
BiPt
NiMn
H
Cl
TeZr Mo
ONBe
ZnCoTi Cr
W
U
4
6
5
1
3
2
7
ErTbLa Ce
He
Ar
Xe
Ne
Kr
TmDy Ho YbEu GdPr
F
SmNd
Th
Ir
PdRu Rh
Os
Na Mg
Rb Sr
Li
K Ca
Cs Ba
Y Nb
V
Ta
Al Si
B
I
Se Br
Cd In
Tl
Ga Ge
He
Ar
Xe
Ne
Kr
TmDy Ho YbEu GdPr
F
SmNd
Tc
Fr
At
Ra
PoHf Re Rn
Lu
Ac Pa
Pm
Np Pu Am Cm
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Plusieurs classifications périodiques ont vu le jour.
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Une classification en chinois.
11/04/23 33Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
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34
Une classification en spirale.
11/04/23 35Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
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36
Une classification en pyramide.
11/04/23 37Cours de structure de la matière Ph 13 M. Bouguechal IPSA 2010-2011
http: //www.meta-synthesis.com
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38
Une classification en 3 dimensions.
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40
Lien : tableau périodique completCours SDM cinq\Tableau_périodique_des_éléments_détaillé.htm
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41
1è ligne 1s (2)
2è ligne 2s 2p (8)
3è ligne 3s 3p (8)
4è ligne 4s 3d 4p (18)
5è ligne 5s 4d 5p (18)
6è ligne 6s 5d 6p (32)
7è ligne 7s 6d (19 ? )
On remarque en écrivant la structure électronique de chaque élément que :
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42
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43
Bloc s Bloc d Bloc p
Ia IIa IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII VIII VIII Ib IIb IIIa IVa Va VIa VIIa 0
1s1 1s2
2s1 2s2 2p1 2p2 2p3 2p4 2p5 2p6
3s1 3s2 3p1 3p2 3p3 3p4 3p5 3p6
4s1 4s2 3d1 3d2 3d3 3d4 3d5 3d6 3d7 3d8 3d9 3d10 4p1 4p2 4p3 4p4 4p5 4p6
5s1 5s2 4d1 4d2 4d3 4d4 4d5 4d6 4d7 4d8 4d9 4d10 5p1 5p2 5p3 5p4 5p5 5p6
6s1 6s2 5d1 5d2 5d3 5d4 5d5 5d6 5d7 5d8 5d9 5d10 6p1 6p2 6p3 6p4 6p5 6p6
7s1 7s2 6d1 6d2 6d3
Bloc f
4f1 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f8 4f9 4f10
4f11
4f12
4f13
4f14
5f1 5f2 5f3 5f4 5f5 5f6 5f7 5f8 5f9 5f10
5f11
5f12
5f13
5f14
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Ia : les alcalinsIIa : les alcalino-terreuxIIIa : famille du boreIVa : famille du carboneVa : famille de l’azoteVIa : famille de l’oxygèneVIIa : famille des halogènesO : famille des gaz rares ou nobles Ces gaz sont très stables car leur dernière couche est saturée.
Les éléments d sont appelés les métaux de transition, ou série de transition
Les 4f sont les lanthanides (ou terres rares)Les 5f dont les actinides (ou éléments rares)
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Ordre de remplissage des Ordre de remplissage des orbitales orbitales
http://www.webelements.com/
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Tableau_périodique_des_éléments_détaillé_fichiers\Periodic%20Table.exe
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Variation des masses atomiquesVariation des masses atomiques
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Variation des rayons Variation des rayons atomiquesatomiques
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50
Le rayon de l’orbite atomique ou de l’ atome est donné par la formule :
pmaavecaZ
nr
eff
5300*
2*
Ces rayons peuvent être calculés en utilisant les formules avec la méthode de Slater.
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51
Variation des premiers potentiels Variation des premiers potentiels d’ionisationd’ionisation
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52
)(6.13 2*2*
eVZn
E effi
i
i
iit EpE
L’énergie d’un électron i d’un atome donné est donnée par :
L’énergie totale de tous les électrons est donc :
pi représente le nombre d’électrons ayant l’énergie Ei
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53
L’énergie d’ionisation E.I est l’énergie minimale qu’il faut fournir pour arracher un électron . X(g) → X+ +e-
g : X étant en phase gazeuseL’énergie de première ionisation correspond à l’extraction d’un électron de la dernière sous-couche occupée. E.I(X) = E(X+ )-E(X(g))
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Exercice d’application : 1. Calculer les énergies de l’atome de Lithium 3Li et de l’ion Li+ en déduire l’énergie de ionisation du lithium correspondant à la réaction Lig Li+
g + e-
3Li = 1s²2s1 calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 2s 2s = 2x0,85 = 1,7Z*eff2s = 3 - 2s = 1,3Calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 1s1s = 1x0,31 = 0,31 Z*eff1s = 3 - 1s = 2,69L’énergie d’un électron i d’un atome donné est donnée par :
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)(6.13 2*
2eVZ
nE eff
ii
i
iit EpEL’énergie totale de tous les électrons est donc : pi représente le nombre d’électrons ayant l’énergie E i
Calcul de l’énergie de l’électron sur l’orbitale atomique 2sE2s = -13,6 x 1,3² = -5,75 eV 2²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 2sE2s total = 1 x E2s = -5,75eVCalcul de l’énergie d’un électron sur l’orbitale atomique 1sE1s = -13,6 x 2,7² = -99,14 eV 1²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 1sE1s total = 2 x E1s = -198,28eVCalcul de l’énergie totale de tous les électrons ET(3Li) = -5,75-198,28 = -204,03eV
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56
On refait le même calcul pour l’ion lithiumLi+ =1s² Calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 1s1s = 1x0,3 = 0,3Z*eff1s = 3 - 1s = 2,7Calcul de l’énergie d’un électron sur l’orbitale atomique 1sE1s = -13,6 x 2,7² = -99,14 eV 1²Calcul de l’énergie totale de tous les électrons ET(3Li+) = -198,28 eVEnergie d’ionisation : ET(3Li+) - ET(3Li) = -198,28 + 204,03 = 5,75 eVCalculer l’écart relatif sachant que la valeur expérimentale de l’énergie d’ionisation est de 5,4eVEcart relatif = 5,75 – 5,4 x 100 = 6,5%
5,4
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57
Variation de Variation de l’électronégativitél’électronégativité
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58
)(6.13 2*2*
eVZn
E effi
i
i
iit EpE
L’énergie d’un électron i d’un atome donné est donnée par :
L’énergie totale de tous les électrons est donc :
pi représente le nombre d’électrons ayant l’énergie Ei
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L’affinité électronique A.E est l’opposé de l’énergie mise en jeu lors de la réaction en phase gazeuse qui consiste à « tester » l’aptitude d’un atome à pouvoir capter un électron. X(g) + e- → X-
g : X étant en phase gazeuse. A.E(X) = - (E(X- )-E(X(g)) )
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Exercice d’application : 1. Calculer les énergies de l’atome de Lithium 3Li et de l’ion Li - en déduire l’affinité électronique du lithium correspondant à la réaction Lig + e-
Li -g
3Li = 1s²2s1 calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 2s 2s = 2x0,85 = 1,7Z*eff2s = 3 - 2s = 1,3Calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 1s1s = 1x0,31 = 0,31 Z*eff1s = 3 - 1s = 2,69L’énergie d’un électron i d’un atome donné est donnée par :
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)(6.13 2*
2eVZ
nE eff
ii
i
iit EpEL’énergie totale de tous les électrons est donc : pi représente le nombre d’électrons ayant l’énergie E i
Calcul de l’énergie de l’électron sur l’orbitale atomique 2sE2s = -13,6 x 1,3² = -5,75 eV 2²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 2sE2s total = 1 x E2s = -5,75eVCalcul de l’énergie d’un électron sur l’orbitale atomique 1sE1s = -13,6 x 2,7² = -99,14 eV 1²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 1sE1s total = 2 x E1s = -198,28eVCalcul de l’énergie totale de tous les électrons ET(3Li) = -5,75-198,28 = -204,03eV
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On refait le même calcul pour l’ion lithium Li -
Li- = 1s²2s2 calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 2s 2s = 2x0,85 +1x0.35 = 2,05Z*eff2s = 3 - 2s = 0,95Calcul du coefficient d’écran pour un électron de l’orbitale atomique 1s1s = 1x0,31 = 0,31 Z*eff1s = 3 - 1s = 2,69Calcul de l’énergie de l’électron sur l’orbitale atomique 2sE2s = -13,6 x 0,95² = -3,07 eV 2²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 2sE2s total = 2 x E2s = -6,14 eVCalcul de l’énergie d’un électron sur l’orbitale atomique 1sE1s = -13,6 x 2,7² = -99,14 eV 1²Calcul de l’énergie de tous les électrons de l’orbitale atomique 1sE1s total = 2 x E1s = -198,28eVCalcul de l’énergie totale de tous les électrons de li -
ET(3Li-) = -6,14-198,28 = -204,42eV
Calcul de l’énergie d’un électron sur l’orbitale atomique 1sE1s = -13,6 x 2,7² = -99,14 eV 1²Calcul de l’énergie totale de tous les électrons ET(3Li-) = -198,28 -6,14 = - 204,42 eV
Affinité électronique : ET(3Li-) - ET(3Li) = = - 204,42 eV + 204,03 = 0,40 eVCalculer l’écart relatif sachant que la valeur expérimentale de l’énergie d’ionisation est de 0,62 eVEcart relatif = 0,6 – 0,4 x 100
0,6
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