Atomistique. Structure du noyau Représentation et configuration électronique Classification périodique des éléments

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1 Atomistique Structure du noyau Représentation et configuration électronique Classification périodique des éléments BARBIER Olivia GUESSOUM Salah L2 Médecine

2 Les particules élémentaires I. Les constituants de la matière II. La structure de l'atome III. Structure électronique et classification périodique IV. Conséquences sur les propriétés des atomes

3 Les particules élémentaires Infinité de particules Fermions = leptons + quarks particules élémentaires

4 Les particules élémentaires Infinité de particules Fermions = leptons + quarks particules élémentaires BIGBANG

5 Les particules élémentaires Infinité de particules Fermions = leptons + quarks particules élémentaires quark BIGBANG lepton

6 Les particules élémentaires Infinité de particules Fermions = leptons + quarks particules élémentaires quark + quark + [ ] quarks = HADRONS BIGBANG leptons

7 Les particules élémentaires Infinité de particules Fermions = leptons + quarks particules élémentaires BIGBANG quark + quark + [ ] quarks = HADRONS leptons HYDROGENE LITHIUM HELIUM

8 I. Les constituants de la matière

9 I. Les constituants de la matière Particules élémentaires (= fermions) m Leptons : électron, neutrino électronique Quarks : 6 types différents

10 I. Les constituants de la matière Particules élémentaires (= fermions) m Leptons : électron, neutrino électronique Quarks : 6 types différents Hadrons m, ED 10 9 ev Baryons (3Q) : proton, neutron (nucléons les plus courants) Mésons (2Q)

11 I. Les constituants de la matière Noyaux m, ED 10 6 ev Nucléons : protons et neutrons

12 I. Les constituants de la matière Noyaux m, ED 10 6 ev Nucléons : protons et neutrons Atomes m, ED 10 à 10 4 ev Noyau Cortège électronique

13 I. Les constituants de la matière Noyaux m, ED 10 6 ev Nucléons : protons et neutrons Atomes m, ED 10 à 10 4 ev Noyau Cortège électronique Cristaux et molécules dimensions variables, ED 1 ev Atomes

14 I. Les constituants de la matière Les différentes intéractions cohésion de la matière Gravitationnelle Electromagnétique Particule / Vecteur Graviton Photon Agit sur Toutes particules Particules chargées Portée Infinie Infinie Importance relative

15 I. Les constituants de la matière Conclusion :) particules élémentaires hadrons noyaux atomes cristaux + molécules

16 II. La structure de l'atome

17 II. La structure de l'atome Noyau Cortège Protons (+) Électrons (-) Neutrons ( ) R = m

18 II. La structure de l'atome Le nombre de protons caractérise un élément chimique

19 II. La structure de l'atome Le nombre de protons caractérise un élément chimique Les niveaux quantifiés d'énergie des électrons sont caractéristiques de l'atome considéré

20 II. La structure de l'atome Le nombre de protons caractérise un élément chimique Les niveaux quantifiés d'énergie des électrons sont caractéristiques de l'atome considéré Le nombre de neutrons explique l'existence des isotopes

21 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Liaisons ++ / Volume - -

22 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Liaisons ++ / Volume R noyau = R atome / La masse de l'atome est pratiquement concentrée dans le noyau

23 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Liaisons ++ / Volume R noyau = R atome / La masse de l'atome est pratiquement concentrée dans le noyau m proton m neutron 1 UMA 1/12 m Carbone

24 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Liaisons ++ / Volume R noyau = R atome / La masse de l'atome est pratiquement concentrée dans le noyau m proton m neutron 1 UMA 1/12 m Carbone

25 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Exemple :)))))))))) 27 nucléons : 14 neutrons + 13 protons

26 II. La structure de l'atome A. Le noyau de l'atome Les isotopes Z = caractéristique de l'élément Un même élément chimique peut-être constitué de noyaux qui diffèrent entre eux par le nombre de neutrons : ce sont des isotopes

27 II. La structure de l'atome B. Les électrons Entourent le noyau particules élémentaires de celle du proton (neutralité ++) charge e de signe opposé à

28 II. La structure de l'atome B. Les électrons Entourent le noyau particules élémentaires de celle du proton (neutralité ++) charge e de signe opposé à m électron = m proton / 1800

29 II. La structure de l'atome B. Les électrons Entourent le noyau particules élémentaires de celle du proton (neutralité ++) charge e de signe opposé à m électron = m proton / 1800 Liaisons électrostatiques

30 II. La structure de l'atome B. Les électrons Entourent le noyau particules élémentaires de celle du proton (neutralité ++) charge e de signe opposé à m électron = m proton / 1800 Liaisons électrostatiques 1 électron = 1 niveau d'énergie précis => CARACTERISTIQUE

31 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Électron-volt (ev) : énergie cinétique d'un électron accéléré par un potentiel de 1 volt 1 ev = 1,602 x J

32 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Électron-volt (ev) : énergie cinétique d'un électron accéléré par un potentiel de 1 volt 1 ev = 1,602 x J E = mc² «La disparition d'une masse m correspond à la libération d'une énergie E»

33 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Énergie du noyau : NRJ ++ : si toute la masse d'un proton était convertie en énergie, 931 millions d'ev seraient libérés Énergie liant les nucléons au sein des noyaux : 1 MeV 8,5 MeV

34 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Énergie des électrons : NRJ - : l'équivalent en énergie de la masse d'un électron au repos = 0,51 MeV Liaisons électrons noyau : faible énergie (électrostatiques)

35 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Énergie des électrons : 1 électron = 1 niveau d'nrj précis : uniquement certains niveaux d'énergie possibles quelques ev : e - périphériques centaines KeV : e - les plus internes des atomes les plus lourds

36 II. La structure de l'atome C. L'énergie présente dans les atomes Énergie des électrons : Transition électronique : niveau énergétique élevé élevé niveau énergique moins énergie radiative = photon (E=hv) : énergie perdue par l'atome pour se désexciter

37 III. Structure électronique et classification périodique

38 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Le modèle de l'atome d'hydrogène proposé par Niels Bohr en 1913 n'a pas pu être généralisé aux atomes poly-électroniques montrant les limites de la physique classique.

39 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Le modèle de l'atome d'hydrogène proposé par Niels Bohr en 1913 n'a pas pu être généralisé aux atomes poly-électroniques montrant les limites de la physique classique. Aux notions de trajectoire et de position d'une particule, la physique quantique substitue une description non-déterministe. calcul de la probabilité de présence dans une région de l'espace probabilité liée à la notion de niveau d'énergie

40 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène : L'énergie de l'atome d'h est quantifiée et dépend d'un nombre quantique n, entier strictement positif (n = 1;2;3...) E n = - E 1,H / n²

41 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergie de l'atome d'hydrogène : L'énergie de l'atome d'h est quantifiée et dépend d'un nombre quantique n, entier strictement positif (n = 1;2;3...) E n = - E 1,H / n² État de plus basse énergie (n = 1) = état fondamental États d'énergies supérieures (n > 1) = états excités

42 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Spectre d'émission de l'atome d'hydrogène

43 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Spectre d'émission de l'atome d'hydrogène État excité niveau fondamental = émission d'un rayonnement Analyse du rayonnement = spectre d'émission série de raies

44 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Spectre d'émission de l'atome d'hydrogène État excité niveau fondamental = émission d'un rayonnement Analyse du rayonnement = spectre d'émission série de raies Émission d'un photon d'énergie : hv = hc/ ʎ= Ep - E n En Joule

45 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergies d'un atome poly-électronique

46 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergies d'un atome poly-électronique 1. Nombre quantique principal n (entier strictement positif) n = 1;2;3... La valeur de n caractérise une couche électronique

47 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergies d'un atome poly-électronique 2. Nombre quantique secondaire l (entier positif) l = 1;2;3;...;n-1) A chaque valeur de l est associée une lettre : l=0 s / l=1 p / l=2 d / l=3 f Un couple (n,l) caractérise une sous-couche électronique

48 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergies d'un atome poly-électronique 3. Nombre quantique magnétique m l (entier relatif) - l m l +l Un triplet (n,l,m l ) caractérise une orbitale atomique

49 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Niveaux d'énergies d'un atome poly-électronique 4. Nombre quantique magnétique de spin m s m s = + 1/2 ou m s = -1/2 Un quadruplet (n,l,m l,m s ) caractérise l'état quantique d'un électron

50 l=0 l=1 l=2 l=3 l=4 n=1 1s n=l n=2 2s 2p n=1 n=3 3s 3p 3d n=1 n=4 4s 4p 4d 4f n=l n=5 5s 5p 5d 5f 5g n=6 6s L'énergie des niveaux électroniques croit avec la somme n+l Pour 2 valeurs égales de n+l, l'énergie croit avec n

51 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Configuration électronique fondamentale (atome/ion)

52 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Configuration électronique fondamentale (atome/ion) Principe de Pauli : Dans un atome ou dans un ion, deux électrons ne peuvent posséder simultanément les mêmes nombres quantiques (n,l,m l,m s ) une OA contient maximum 2 e - de nombres quantiques de spin opposés (+1/2 ou -1/2) Deux électrons occupant une même OA sont dits appariés

53 III. Structure électronique et classification périodique A. Structure électronique Configuration électronique fondamentale (atome/ion) Règle de Klechkowski: La configuration électronique d'un atome dans l'état fondamental est obtenue en remplissant les niveaux d'énergie par ordre croissant d'énergie, donc selon les valeurs croissantes (n+l) et en cas d'égalité, selon les valeurs croissantes de n. Règle de Hunt : OA dégénérées = somme des m s max mettre le maximum de m =1/2 dans la s sous-couche.

54 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes

55 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes Propriétés chimiques Electrons de valence : sur la couche de nombre quantique n le plus élevé dans des sous-couches en cours de remplissage Le plus faiblement liés au noyau (éloignés ++) Arrachés lors de l'ionisation de l'atome : participation aux liaisons et réactions chimiques

56 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes Propriétés chimiques Electrons de cœur : liaisons ++ avec le noyau (centre ++)

57 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes Structure de la classification périodique Classement des éléments dans l'ordre croissant de leur numéro atomique Z Traduction du remplissage progressif des sous-couches électroniques de l'atome 1 nouvelle période (ligne) = remplissage d'une nouvelle couche (valeur de n)

58 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes

59 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes Structure de la classification périodique = en bloc Bloc s : colonnes 1 et 2 = remplissage des SC s Bloc d : colonnes 3 à 12 = remplissage des SC d Bloc p : colonnes 13 à 18 = remplissage des SC p Même colonne = même structure électronique de valence = famille = propriétés chimiques voisines

60 IV. Conséquences sur les propriétés des atomes Structure de la classification périodique = en bloc 1 ère (sauf H) : alcalins 2 ème : alcalino-terreux 17 ème : halogènes 18 ème : gaz nobles Eléments de transition : élements pour lesquels un atome ou un ion possède une sous-couche d en cours de remplissage

61

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