Chapitre 2 : Atomistique DOCUMENT DE COURS CHAPITRE 2 : ATOMISTIQUE

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1 DOCUMENT DE COURS CHAPITRE 2 : ATOMISTIQUE DOCUMENT 1 : CARACTERISTIQUES DE L ATOME ET DE SES CONSTITUANTS Nucléons (A) Rayon Masse Charge Atome m A x m n neutre Noyau m = A x m n chargé positivement (+Ze) Nombre Neutrons A Z m m n kg neutre Protons Z m m n kg e = +1, C Electrons Z m m e kg -e = -1, C Rappel préfixe milli micro nano pico femto DOCUMENT 2 : ISOTOPES A) ABONDANCES ISOTOPIQUES DE QUELQUES ELEMENTS Elément Numéro atomique Hydrogène 1 Carbone 6 Oxygène 8 Uranium 92 Isotope Abondance naturelle Commentaire 1 H 99,99% 2 H 0,01% Appelé deutérium (parfois noté D) 12 C 98,9% 13 C 1,1% Utile pour la RMN du carbone 14 C Traces Radioactif. Utilisé pour la datation de la matière organique. 16 O 99.76% 17 O 0.038% Utilisable en RMN 18 O 0.20% Utilisé en imagerie médicale. 234 U 0,0056% Radioactif. 235 U 0,720% Radioactif. Utilisé dans les réacteurs nucléaires. On augmente sa proportion dans l uranium enrichi. 238 U 99,2745% Radioactif. B) DIAGRAMME DE SEGRE : ISOTOPES STABLES, ISOTOPES RADIOACTIFS =A-Z 1

2 DOCUMENT 3 : LA LUMIERE (RAPPELS DE TS) Il existe deux descriptions complémentaires du rayonnement lumineux. LE MODELE ONDULATOIRE : La lumière est décrite par une onde électromagnétique progressive périodique caractérisée par : Sa célérité (c = 3, m.s -1 dans le vide) Sa fréquence ν (en Hz) Sa longueur d onde λ (en m) Ces trois valeurs sont liées par la formule : λ = c ν Selon sa longueur d onde, un rayonnement peut appartenir à différents domaines du spectre électromagnétique (dont la lumière visible ne constitue qu une infime partie) : LE MODELE CORPUSCULAIRE : Un rayonnement de fréquence ν est composé de photons, particules de masse nulle et d énergie donnée par la formule : E &'()(* = hν = h c λ avec E &'()(* l 1 énergie du photon en Joule h = 6, CDE J. s la constante de Planck ν la fréquence en Hz c = 3, N m. s CP célérité de la lumière λ la longeur d 1 onde en m Plus la fréquence est grande, plus la longueur d onde est faible et plus l énergie du rayonnement est grande. 2

3 DOCUMENT 4 : SPECTRES ATOMIQUES L ensemble des longueurs d onde, ou fréquences, qu un atome peut émettre après excitation forme son spectre d émission. L ensemble des longueurs d onde, ou fréquences, qu un atome peut absorber lorsqu il est soumis à un rayonnement forme son spectre d absorption. Obtention d un spectre d absorption On fait passer de la lumière à travers un échantillon et on décompose la lumière en sortie d échantillon à l aide d un prisme ou d un réseau. Obtention d un spectre d émission On excite un échantillon (par exemple grâce à une décharge électrique) et on décompose la lumière émise lors de la désexcitation. Le spectre d émission est un spectre de raies : seules certaines longueurs d onde sont émises. Le spectre d absorption est un spectre de raies : seules certaines longueurs d onde sont absorbées. On observe alors des raies noires, correspondants aux longueurs d ondes absorbées, sur le spectre de la lumière qui a traversée l échantillon. DOCUMENT 5 : NOMBRES QUANTIQUES ET NOMENCLATURE DES ORBITALES ATOMIQUES (OA) A CONNAITRE Nombre quantique principal n nombre entier strictement positif (1, 2, 3 ) n désigne la couche à laquelle appartient l orbitale n caractérise la taille de l orbitale : l électron d autant plus loin du noyau que n est grand Nombre quantique secondaire l nombre entier tel que : 0 l n-1 donc n valeurs de l possibles pour chaque valeur de n l désigne la sous-couche à laquelle appartient l orbitale l caractérise la forme de l orbitale Nombre quantique magnétique m l pour chaque valeur de l, m l est un entier relatif tel que : - l m l + l donc (2 l +1) valeurs de m l possibles pour chaque valeur de l m l caractérise l orientation de l orbitale La donnée de (n, l, m l ) définit une orbitale atomique ψ n,l,ml. 3

4 Nomenclature des OA : Chaque valeur de l est associée à une lettre de l alphabet : valeur de l lettre s p d f g puis on suit l alphabet (l = 5 à h ) Nom d une orbitale atomique : nombre quantique principal n + lettre correspondant à la valeur de l (la valeur de m l peut figurer en indice mais est le plus souvent omise). Voir exemples dans le cours. n = 4... M L K DOCUMENT 6 : ENERGIE DES OA POUR L ATOME D HYDROGENE a) Diagramme énergétique 4

5 b) Lien avec le spectre d émission de l hydrogène (voir TD) DOCUMENT 7 : ENERGIE DES OA POUR LES ATOMES POLYELECTRONIQUES DOCUMENT 8 : TROIS REGLES DE REMPLISSAGE ELECTRONIQUE A CONNAITRE a) Principe d exclusion de Pauli b) Règle de Klechkowski Deux électrons d un même atome ne peuvent pas être décrit par le même quadruplet de nombres quantiques (n, l, m l, m s ). Dans la configuration électronique fondamentale, les orbitales sont remplies par valeurs de (n + l) croissantes et pour une même valeur de (n + l), par valeurs de n croissantes. Cet ordre de remplissage correspond environ à un remplissage des OA par énergie croissante. c) Règle de Hund Pour la sous-couche en cours de remplissage, la configuration de plus basse énergie est obtenue lorsque les électrons occupent le plus d OA avec des spins parallèles (même valeur de m s ). 5

6 DOCUMENT 9 : PROPRIETES MAGNETIQUES DES ATOMES S il possède au moins un électron non apparié (dit célibataire), l atome est dit paramagnétique. Les composés paramagnétiques sont fortement influencés par un champ magnétique extérieur. Exemple : L espèce contenue dans le tube est paramagnétique, elle est attirée vers l entrefer de l aimant (là où le champ magnétique est le plus fort. Si tous les électrons sont appariés (toutes les sous-couches sont complètes), l atome est dit diamagnétique. Les composés diamagnétiques sont peu sensibles à l application d un champ magnétique extérieur. Exemple : L espèce contenue dans le tube est diamagnétique, il n y a pas d attraction vers l aimant, même si on rapproche celui-ci du tube (le tube est en fait légèrement repoussé, mais l effet est faible). L explication en vidéo : DOCUMENT 10 : ELECTRONS DE CŒUR ET ELECTRONS DE VALENCE Les électrons de valence sont ceux qui occupent les couches de plus grand n et les sous-couches en cours de remplissage. Ce sont les électrons les plus hauts en énergie donc les plus accessibles. Ce sont ceux qui permettront la formation de liaisons chimiques et ceux qui seront mis en jeu dans les réactions chimiques. Les propriétés chimiques de l atome sont dictées par les électrons de valence. Les électrons de cœur sont qui occupent toutes les autres orbitales atomiques. Ce sont des électrons bas en énergie, difficilement accessibles. 6

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