Les grecs (v siècle avant J.-C.)

Transcription

1 Des atomes?

2 2 L atome, un modèle Les grecs (v siècle avant J.-C.) cinq éléments : eau, air, terre, feu. Démocrite : atomos, qu on ne peut diviser. Le monde s est crée dans une pluie d atomes..

3 3 L atome, un modèle Le Moyen-Age arabe La plupart des philosophes reprennent la théorie des cinq éléments. Les autres défendent l idée que la matière contient des «indivisibles» entre lesquels il y a du vide. Développement de pratiques expérimentales (chimie des parfums) : Geber (al-jabir) (VIII e siècle).

4 L atome, un modèle 4

5 5 L atome, un modèle Naissance de l atomisme moderne (XVIIIe siècle), fondé sur : - La théorie - La mesure - L observation Deux sciences à l œuvre : - La physique avec la théorie cinétique des gaz de Bernouilli - La chimie avec Lavoisier puis Dalton

6 6 L atome, un modèle La théorie cinétique des gaz de Bernouilli ( ) - Démontre que les propriétés des gaz (pression, température) peuvent s expliquer en supposant qu ils contiennent des particules microscopiques en mouvement

7 7 L atome, un modèle Des opposants jusqu au début du XXe siècle - Arguments portant sur la vitesse des molécules 1 km/s - Paradoxe de Loschmidt ( ) : si le mouvement des particules obéit aux lois de Newton qui sont réversibles

8 8 L atome, un modèle La résolution de ces paradoxes ne sera complète qu au début du XXe siècle : Les lois de la thermodynamique microscopique ne sont pas de même nature que la mécanique de Newton! Elles sont de type probabiliste. Explication du mouvement brownien par A. Einstein (1905)

9 L atome, un modèle 9

10 10 L atome, un modèle Dalton ( ). Dalton (scientifique anglais) créateur de la théorie atomique (publiée en 1807) analyse la composition de l air à travers toute l Angleterre.

11 L atome, un modèle 11

12 12 L atome, un modèle Avogadro va achever la démonstration en expliquant les propriétés des gaz : - L attraction entre les atomes, qui existe dans les solides, «est entièrement détruite» dans les gaz. - Ainsi les molécules constituant les gaz sont à une distance telle qu elles ne peuvent s attirer. - Des volumes égaux de gaz contiennent des nombres égaux de molécules (loi d Avogadro-Ampère, 1811)

13 13 La mole Avogadro a donc posé que le nombre de particules qui occupent un volume de gaz de 22,4 L est toujours le même, à 273 K et à une pression de 1013 hpa. C est ce qu on appelle une mole. Avogadro ne connaissait pas le nombre de molécules dans une mole de gaz. Depuis il a été mesuré très précisément et redéfini comme le nombre d atomes contenus dans 12,0g de carbone 12 : N A = 6,022x10 23 mol -1

14 14 Constante d Avogadro N A = 6,022x10 23 mol -1 C est, en gros, le nombre de grains de sable contenus dans le Sahara

15 L électron 15

16 16 L électron Expérience de Millikan (prix Nobel 1923) En étudiant le mouvement de gouttelettes d huile chargées, entre deux armatures, il mesure la plus petite charge électrique qui puisse exister. On la note e La masse de l électron est environ 2000 fois plus petite que celle des atomes. Où est la masse de celui-ci? Qu est-ce qui compense les charges négatives puisque l atome est électriquement neutre?

17 17 Le noyau Expérience de Rutherford (1911) Il envoie un faisceau de particules α (émises par certains éléments radioactifs) sur une feuille d or et observe à l aide d un détecteur ce qu elles deviennent après la traversée.

18 18 Le modèle de Rutherford Avec la découverte plus tardive du neutron par Chadwick (1932), on obtient une représentation de l atome que l on nomme «le modèle de Rutherford» :

19 Composition du noyau 19

20 Notion de nucléïde 20

21 21 Le nombre de neutrons N dans un noyau vaut donc N = A - Z Le couple de valeurs Z et A définit un nucléïde. Pour l élément de symbole X (caractérisé par Z), le symbole du nucléïde est A X Z

22 22 isotopes Les isotopes sont des éléments qui ont même numéro atomique Z mais des nombres de masse A différents. Exemples

23 Carte des nucléïdes 23

24 24 Masses molaires atomiques Elles ne correspondent pas exactement au nombre de masse

25 25 Masses molaires atomiques Quatre raisons : Il faut tenir compte de l abondance naturelle de chaque isotope. La masse d un noyau est légèrement différente de la somme de la masse de ses divers nucléons (ΔE = mc 2 ). La masse des neutrons n est pas tout à fait égale à celle des protons. La masse des électrons n est pas tout à fait négligeable.

26 26 Le modèle quantique de l atome Réalisation du spectre de l hydrogène

27 27 Le modèle de l atome d hydrogène Interprétation du spectre de l hydrogène

28 28 Le modèle de Bohr Interprétation du spectre de l hydrogène

29 Le modèle de Bohr 29

30 30/29 Le modèle de Bohr Chaque couche correspond à une valeur du nombre quantique principal

31 31 Atomes polyélectroniques Même n! même couche électronique Même l! même sous-couche Pour désigner la sous-couche p (l=1) de la couche M (n=3) on écrit 3p

32 32/29 Atomes polyélectroniques Les électrons d une même sous-couche qui possèdent le même nombre quantique m appartiennent à la même case quantique. Dans chaque sous-couche, il y a une ou plusieurs cases quantiques :

33 33/29 Atomes polyélectroniques Cas du chlore : Z=17 Configuration électronique! K 2 L 8 M 7 n=1, couche K, une seule valeur de l (l=0), une seule case quantique 1s, deux valeurs possibles de spin n=2, couche L, deux sous-couches (l=0 et l=1) : 2s (1 case) et 2p (3 cases)

34 34 Atomes polyélectroniques n=3, couche M, trois sous-couches (l=0, l=1 et l=2) : 3s (1 case) et 3p (3 cases) et 3d (5 cases) Il reste un électron célibataire. Tous les autres sont appariés en paires (ou doublets).

35 35 Règles de remplissage Elles découlent du principe d exclusion de Pauli (1925) : dans un atome, il ne peut y avoir plus d un électron décrit par un même ensemble de valeurs données aux quatre nombres quantiques. Chaque case quantique est définie par une valeur de n, l et m. Comme il peut y avoir deux électrons dans une même case, ces deux électrons ont forcément des spins opposés. On commence par remplir chaque case d une même sous-couche avec un électron célibataire.

36 36 Niveaux d énergie des sous-couches Les choses se compliquent à partir de n=3. Règles de Klechkowski pour l état fondamental.

37 37 Importance pour la chimie Les électrons de la couche de nombre n le plus élevé jouent un rôle essentiel. Ce sont eux qui participent à la formation des liaisons chimiques. Cette couche externe est la couche de valence.

38 38 Cas des ions monoatomiques Les électrons de la couche de nombre n le plus élevé jouent un rôle essentiel. Ce sont eux qui participent à la formation des liaisons chimiques. Cette couche externe est la couche de valence.

39