La structure atomique. Chimie 11

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1 La structure atomique Chimie 11

2 L'atome Un atome est constitué d'électrons qui gravitent autour d'un noyau. Le noyau est composé de protons et de neutrons. Stabilité : nombre de protons = nombre d'électrons

3 Le numéro atomique (Z) Le numéro atomique est le nombre de protons de l'atome. Il définit la nature de l'atome. Si l'atome est neutre, c'est aussi le nombre d'électrons Si le nombre de protons est différent du nombre d'électrons, l'atome est chargé positivement ou négativement. On l'appelle un ion : un cation (+) ou un anion (-)

4 Les isotopes Le nombre de neutrons peut être variable : isotope Propriétés chimiques sont liées au nombre d'électrons donc elles sont semblables Propriétés physiques sont liées à la masse donc elles sont différentes

5 Le nombre de masse (A) Le nombre de masse est le nombre de nucléons de l'atome. Nucléons = composants du noyau Nucléons = protons + neutrons Le nombre de masse permet de différencier les isotopes :

6 Les radioisotopes Les radioisotopes sont des atomes dont le noyau est instable et donc radioactif. Ils vont se décomposer en noyaux plus stables et en émettant des rayonnements α, β et γ. Certains radioisotopes sont naturels, d'autres peuvent être créés artificiellement.

7 Caractéristiques des radioisotopes Propriétés chimiques identiques : ils vont se comporter comme la molécule normale Propriétés physiques différentes : les rayonnements émis permettent de les repérer et de les quantifier Demi-vie : temps au bout duquel 50% de la source est désintégrée Trop court : problème de manipulation Trop long : problème d'entreposage Énergie dégagée lors de la désintégration peut être dangereuse si trop élevée

8 Le carbone 14 Isotope du carbone qui se désintègre en azote Demi-vie = 5730 ± 40 ans Un organisme accumule du carbone 14 durant toute sa vie. Après sa mort, le carbone 14 va se désintégrer progressivement en azote 14.

9 Le cobalt 60 Isotope du cobalt produit artificiellement Demi-vie = 5,27 ans Produit beaucoup de rayons γ Très utilisé pendant les cinquante dernières années en radiothérapie Problème d'entreposage Radiothérapie = utilisation de radiations pour détruire des cellules cancéreuses

10 L'iode 131 Demi-vie = 8,02 jours Utilisé comme traceur médical notamment pour le fonctionnement de la thyroïde peut être suivi avec des gamma-caméras. scintigraphies

11 L'iode 125 Produit des rayons X et très peu d'énergie Demi-vie : 60 jours Utilisé en curiethérapie notamment contre le cancer de la prostate. Des implants radioactifs sont insérés dans l'organe malade afin de tuer les cellules cancéreuses.

12 la masse atomique La masse d'un atome est extrêmement faible : Protons, neutrons ~ kg Électrons ~ kg Il n'est pas vraiment possible de les peser ; on va donc utiliser une technique appelée la spectrométrie de masse

13 Spectrométrie de masse

14 Principe Vaporisation : on transforme l'échantillon en gaz plus facile à manipuler et on l'injecte dans l'appareil Ionisation : on ionise les particules grâce à des bombardements d'électrons afin de pouvoir leur faire subir des forces électriques. On produit des cations. Accélération : on accélère les particules grâce à un champ électrique afin que la déviation soit plus nette. Déviation : les cations sont déviées à un champ magnétique ; la déviation dépend de la charge et du poids Détection : on enregistre la déviation et on la compare à celle des autres particules.

15 Résultat Plus la particule est légère, plus la déviation est grande On obtient un spectre de masse où apparaissent les différents isotopes On peut comparer les masses des atomes On peut en déduire la masse atomique relative des atomes

16 Masse atomique La masse atomique est la masse d'un atome en unités de masse atomique. Une unité de masse atomique (u) est le douzième de la masse de l'isotope 12 du carbone La masse atomique moyenne est la moyenne des masses des isotopes selon leur pourcentage. Concrètement, elle est proche de la somme des protons et des neutrons.

17 Le rayonnement électromagnétique Lorsqu'on apporte de l'énergie à une substance, celle-ci en absorbe une partie et en renvoie le reste sous forme de rayonnement électromagnétique. Dépendamment de la longueur d'onde de ce rayonnement, il peut être visible. Exemple : fer chauffé au rouge ou à blanc

18 L'onde électromagnétique Une onde est une vibration par laquelle l'énergie est transmise. La vitesse d'une onde dépend du type d'onde et de la nature du milieu dans lequel elle voyage : eau, air ou vide par exemple.

19 Fréquence et longueur d'onde Un rayonnement est caractérisé par sa longueur d'onde ou sa fréquence. La longeur d'onde est la distance entre deux pics. La fréquence est le nombre de pics qui se répètent en 1 seconde. C est la célérité : c=λxν La longeur d'onde est notée λ. Elle est mesurée en mètres La fréquence est notée f ou ν. Elle est mesurée en s-1 ou Hertz (Hz).

20 Les différents types d'onde Il existe différents types d'onde : Les vagues Les ondes sonores Les ondes lumineuses

21 Les ondes électromagnétiques Maxwell propose en 1873 une théorie selon laquelle les ondes lumineuses seraient des ondes électromagnétiques. Ces ondes vibrent suivant deux composantes : une composante électrique et une composante magnétique. Celles-ci possèdent la même longueur d'onde et la même fréquence mais elle vibrent dans des plans perpendiculaires Pour la lumière : c = 3,00 x 108 m/s ou km/s

22 Le spectre électromagnétique

23 Le spectre visible

24 Spectres d'émission Les spectres d'émission peuvent être continus : toutes les longueurs d'ondes sont présentes Ils peuvent être aussi discontinus : spectres de raies.

25 Spectres d'émission de l'atome Lorsqu'un atome est soumis à une source d'énergie, il absorbe cette énergie puis la renvoie sous forme d'ondes lumineuses. Le spectre d'un atome est discontinu

26 Niveaux d'énergie L'électron absorbe l'énergie nécessaire pour sauter sur une nouvelle orbite lorsqu'il revient à son orbite initiale, il renvoie cette énergie

27 La théorie quantique Les atomes et les molécules ne peuvent émettre que des paquets d'énergie appelé quanta un quantum = la plus petite quantité d'énergie qu'un atome ou une molécule peut émettre.

28 Les nombres quantiques Les orbitales sont caractérisées par : n ou la couche : désigne la taille de l'orbitale n= 1, 2, 3... l ou la sous-couche : désigne la forme de l'orbitale s = sphérique, p = 2 lobes, d = 4 lobes, etc. Chaque orbitale contient deux électrons de spins opposés

29 Les orbitales

30 La configuration électronique Si n=1, une seule orbitale possible, s. Si n= 2, deux orbitales possibles, s et p. Si n=3, trois orbitales possibles, s, p et d.

31 Le remplissage électronique

32 La notation électronique On indique le numéro de la couche, puis l'orbitale et on met le nombre d'électrons en exposant de l'orbitale dans l'ordre de remplissage exemple: Fe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 Pour une notation abrégée, on utilise le gaz rare le plus proche : Fe [Ar] 4s2 3d6

33 Configuration électronique C'est une écriture simplifiée où on indique le nombre d'électrons sur chaque couche. Exemples : C électrons sur la couche 1 4 électrons sur la couche 2 Cl électrons sur la couche 1 8 électrons sur la couche 2 7 électrons sur la couche 3

34 L'énergie d'ionisation L'énergie d'ionisation est l'énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. Notion de couches : N = 1 ou K N = 2 ou L N = 3 ou M 2 électrons 8 électrons 18 électrons

35 Les électrons de valence Les électrons qui se trouvent sur la dernière couche sont appelés électrons de valence. Ce sont sont les électrons qui peuvent être échangés lors d'une réaction chimique. Ils sont responsables des propriétés chimiques de l'atome.

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