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Une vision moderne de l ’atomeUne vision moderne de l ’atome
L ’ATOMISTIQUEL ’ATOMISTIQUE
Titre: l’atomistique
Lumière et Onde ElectromagnétiqueLumière et Onde Electromagnétique
= c= c hh = E = E II kA kA22
c = 2,997925.108 m.s-1. h est la constante de Planck h = 6,626 10-34 J.s.
Lumière et onde électromagnétique
ChampElectrique
Direction duChamp rayon lumineuxMagnétique
Longueur d'onde
A
Le Spectre ElectroMagnétiqueLe Spectre ElectroMagnétique
= c= c hh = E = E
5
10
9
10
11
10
13
10
17
10
Radio Micro Infra-Rouge.
lointain; proche
Ultra-Violet Rx R γ
15
10
Visible
Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet
14
4,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7, 10
3km 30cm 3mm 0,03mm 300nm 3nm 3pm
La lumière est émise ou absorbéeLa lumière est émise ou absorbée
Le spectre électromagnétique
Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques
= c= c hh = E = E
Les spectres atomiques
CollimateurPrisme
Film enregistreur
Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques
= c= c hh = E = E
Gaz chauffé
CollimateurPrisme
Filmenregistreur
C’est un spectre d’émission
Les spectres atomiques
C’est un spectre d’absorption
Film enregistreur
CollimateurPrisme
H
Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques
= c= c hh = E = E
avecavec = R . c (1/n = R . c (1/n1122 -1/n -1/n22
22) où n) où 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
Les spectres atomiques
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 se produisent par quantités discrètes appelées quantaquanta d'énergie h
• Les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme des particules. 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 double puisqu'elle est à la fois onde et corpuscule: E= hE= h etet p=h/ p=h/
Une vision quantique des atomes
Le spectre des atomesLe spectre des atomes
- Quand un atome absorbe un rayonnement de fréquence , l'énergie correspondante hh est transférée à l'atome.
Il passe dans un état excité d’énergie E*=E + hh
• Ces échanges de photons se font à des fréquences { } caractéristiques de la nature de l’atome considéré.
Atome + Photon Atome excité
Atome excité Atome + Photon
- Quand un atome émet un rayonnement de fréquence ,
E=E* - hh
Bohr en a donné une première interprétationBohr en a donné une première interprétationElles constituent le Spectre de l’atomeSpectre de l’atome
{ }
Le spectre des atomes
Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogèneLe modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène
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
−e2
r2 =0
mv2
2+ k
−e2
r=En
L ’atome d’hydrogène existe et est stable.
Moment angulaire : mvr = constant
Hypothèse de Bohr Hypothèse de Bohr : mvr =n.(h/2 où n=1, 2, 3…
p+
r
e- v
Le modèle de Bohr et atome H2
Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogèneLe modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène
1)
2)
3) en égalant
mv2
r=k
e2
r2 ⇒ mv
2=k
e2
r
Résolution du problème:
mvr =nh2
⇒ (mvr)2=(n
h2
)2⇒ mv
2=
n2
mr2 (
h2
)2
ke2
r=n2
mr2(h
2π)2 ⇒ r =
n2h2
4π2me2k=n2.a0
4) donc: v =nh
2mr=2kenh
2
⇒ v=1n
v0
5) En =mv
2
2+k
−e2
r=−2
2me
4k
2
n2h
2 =−A
n2
Le modèle de Bohr et atome H2
Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogèneLe modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène
En conclusion:
1) rn =n2.a0 =n
2.0,5297.10
−10m
n=1, 2, 3, …2) vn =1n
v0 =1n2,214.10
6m/s
3) En =−A
n2 =
−21, 757
n2 10
−19j
Le modèle de Bohr et atome H2
Le modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogèneLe modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogène
-A
-A/4
-A/9
0
-A/25
-A/16
Energie n Etats
1
3
2
∞
5
4
absorption émission
Fondamental
Ionisé
Excités
supérieurs
Premier
excité
}
{ }
Le modèle de Bohr et atome H2
Le modèle ondulatoireLe modèle ondulatoire
- Le modèle de Bohr ne s’applique pas aux atomes autres que l’hydrogène, ni en présence d’un champ électrique ou magnétique
- Les expériences de diffraction montrent que l'électron possède les caractéristiques d'une onde.
- - La longueur d'onde est déterminée par la relation de « de Broglie »« de Broglie » =h/mv=h/mv
L ’O.E.M. est une onde aux caractéristiques corpusculaires.
L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires.
C’est la dualité onde / corpusculedualité onde / corpuscule.
Le modèle ondulatoire
Le modèle ondulatoire (suite)Le modèle ondulatoire (suite)
- Le caractère ondulatoire de l’électron se décrit par une fonction fonction d'onde d'onde obtenue à partir de l’équation de Schrödinger: H Schrödinger: H =E =E
- L’électron ne possède pas de trajectoire.
- - Seule sa probabilité de présence 2 est mesurable.
nn est le nombre quantique principal. Il fixe l’énergie.
- Le comportement de l’électron de l’atome d’hydrogène se décrit 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)
Règles fixant les nombres quantiquesRègles fixant les nombres quantiques
Le 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 des symboles 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 l’électron sLe spin de l’électron s peut prendre deux valeurs, la valeur +1/2, symbolisée par ; la valeur -1/2, symbolisée par
Règles fixant les nbres quantiques
Le modèle ondulatoireLe modèle ondulatoire
- Le comportement de l’électron de l’atome d’hydrogène se décrit en précisant ses 4 nombres quantiques.
Le modèle ondulatoire
- Lorsqu’on choisit une valeur pour ces nombres, on obtient une orbitale par exemple 1s, 2s, 2p (2px, 2py , 2pz), 4d, 5f, …
Les états de l ’hydrogèneLes états de l ’hydrogène
Les états de l’H2
nSymbole del’orbitale
Energie Nombre Au total
1 1s E1=-A 1 12 2s E2=-A/4 1 4
2px E2 32py E2
2pz E2
3 3s E3=-A/9 1 93px E3 33py E3
3pz E3
3dxy E3 53dyz E3
3dxz E3
3dx2-y2 E3
3dz2 E3
La forme des états « s » et « p »La forme des états « s » et « p »
1s1s 2s2s
2p2pzz 2p2pxx 2p2pyy
La forme des états S et P
La forme des états « d »La forme des états « d »
La forme des états « d »
Modèle en couches et configuration des atomesModèle en couches et configuration des atomes
précise l'organisation des électrons dans les atomes, c.à.d. leur configuration électronique
Principe d ’’édification (Aufbau)édification (Aufbau)
Utilisons les orbitales atomiques déduites de l'hydrogène.
- L'ensemble des électrons décrit par un même nombre nn constitue une couche électronique (1K; 2L; 3M; 4N; 5O; 6P)
- 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 par leur spin:
Règles de construction des configurationsRègles de construction des configurations
Principe d ’’édification (Aufbau)édification (Aufbau)
On empile les électrons un à un en respectant les niveaux d'énergie.
Le principe de PAULI précise que 2 électrons d’une configuration se 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 même énergie (sous-couche) les électrons se placent avec le spin maximal
1er 2nd
ou
De même pour 3 électrons :De même pour 3 électrons :
S=1S=1
S=1,5S=1,5
ouououou
Règles de construction des configurations
H 1eH 1e-- 1s 1s11
He 2eHe 2e-- 1s 1s22
Li 3eLi 3e-- 1s 1s22 2s 2s11
B 5eB 5e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p11
Be 4eBe 4e-- 1s 1s22 2s 2s22
C 6eC 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 périodiqueLe Tableau périodique
Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l’atome en respectant les règles
Le tableau périodique
Le Tableau périodiqueLe Tableau périodique
Construction 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 2eHe 2e-- 1s 1s22
Li 3eLi 3e-- He 2s He 2s11
B 5eB 5e-- He He 2s2s2 2 2p2p11
Be 4eBe 4e-- He 2s He 2s22
C 6eC 6e-- He 2s He 2s2 2 2p2p22
N 7eN 7e-- He He 2s2s2 2 2p2p33
O 8eO 8e-- He He 2s2s2 2 2p2p44
F 9eF 9e-- He 2s He 2s2 2 2p2p55
Ne 10eNe 10e-- He 2s He 2s2 2 2p2p66
CoucheCoucheKK
n=1n=1
CoucheCoucheLL
n=2n=2
1s
2s
4s
3p
3s
2p
Règles d’empillement des atomes
Le Tableau périodiqueLe Tableau périodique
Ensuite pour la couche M:
Na 11eNa 11e-- Ne 3s Ne 3s11
Al 13eAl 13e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p11
Mg 12eMg 12e-- Ne 3s Ne 3s22
Si 14eSi 14e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p22
P 15eP 15e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p33
S 16eS 16e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p44
Cl 17eCl 17e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p55
Ar 18eAr 18e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p66
1s
2s
4s
3p
3s
2p
Le tableau périodique (couche M)
Structure du TableauStructure du Tableau
Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; npns; (n-2)f; (n-1)d; np
n 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 Tableau
Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; npns; (n-2)f; (n-1)d; np
n 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 Tableau
En 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 Tableau
En termes de périodes - groupes et sous-groupes
Structure du tableau
Structure du TableauStructure du Tableau
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 Kr
Rb 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
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 Kr
Rb 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 métauxLes métaux
Les métaux
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 Kr
Rb 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 métaux et les non métauxLes métaux et les non métaux
Les métaux et les non-métaux
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 Kr
Rb 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
Structure du TableauStructure du Tableau
L ’état physique des éléments:
Elément gazeux du tableau
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 Kr
Rb 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
Structure du TableauStructure du Tableau
L ’état physique des éléments:
Elément liquide du tableau
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 Kr
Rb 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
Structure du TableauStructure du Tableau
L ’état physique des éléments:
Elément solide du tableau
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le rayon atomique Le rayon atomique
- - Le rayon de covalence = moitié de la distance entre les noyaux 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(cov)(cov)
2*2*rr(vdw)(vdw)
Le rayon atomique
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le rayon atomique Le rayon atomique
- Propriétés du - Propriétés 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 atomique
en nm
Z
Li
F
Na
Cl
K
Br
Propriétés du rayon de covalence
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 Kr
Rb 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
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le rayon atomique Le rayon atomique
-C’est une conséquence de l’-C’est une conséquence de l’Effet d ’écranZ*(+e) = Z(+e) -
- - Les rayons ioniques Par rapport à l’élément: Par rapport à l’élément: Rayon des cations Rayon des anions
Variation du rayon de covalence
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le Potentiel d’ionisation et l’affinité électronique Le Potentiel d’ionisation et l’affinité électronique
- - Le potentiel d ’ionisation est l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome..
- - L ’affinité électronique est l’énergie qui se dégage lorsqu’un électron est ajouté à l ’atome.
A A A A++ + e + e- - EIEI(eV)(eV) AA++ A A2+2+ + e + e- - EI’EI’(eV)(eV) ……
A + eA + e- - A A-- AAee(eV)(eV) AA-- + e + e- - A A2-2- AAee’’(eV)(eV) ……
Potentiel d ’ionisation
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le Potentiel d’ionisationLe Potentiel d’ionisation
0
5
10
15
20
25
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Z
PI
He
Ne
Ar
Kr
Li NaK
B
O
Al
S
Ga
Se
Graphe du potentiel d’ionisation
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 Kr
Rb 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
Propriétés des élémentsPropriétés des éléments
Le Potentiel d’ionisationLe Potentiel d’ionisation
Variation du pot. d ’ionisation au des atomes
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 Kr
Rb 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
L’électronégativitéL’électronégativité
Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein au sein des moléculesdes molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons
F = 4, corps le plus électronégatifF = 4, corps le plus électronégatif
L ’électronégativité de Mulliken
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 Kr
Rb 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
L’électronégativitéL’électronégativité
Les métaux forts 0,7 < ≤ 1,2
Les métaux faibles 1,5 ≤ ≤ 2,0
Les non-métaux 2,1 ≤ ≤ 4,0
L ’électronégativité de Mulliken
Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein au sein des moléculesdes molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons
F = 4, corps le plus électronégatifF = 4, corps le plus électronégatif