1. Introduction. Quelle est la structure de la matière? L idée est vieille:

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1 1. Introduction échelle macroscopique échelle moléculaire La chimie est la science des propriétés et des transformations de la matière. Quelle est la structure de la matière? L idée est vieille: Demokrit (philosophe grecque AD) propose que la matière est constitué des entités extraordinairement petites qu il appelait des atomes (dérivé du mot grecque atomos = insécable) La vérification expérimentale: John Dalton ( ): développe la première théorie atomique basé sur les mesures expérimentales 1

2 La structure de la matière aujourd hui: l existence des atomes est bien établie on peut observer des images d atomes individuels p.ex. à l aide d un microscope à balayage à l effet tunnel ( scanning tunneling microscope (STM) ) Image STM de la surface de GaAs Toute matière est faite des atomes. Un élément chimique est constitué d un seul type d atomes. Aujourd hui ca. 112 atomes (éléments) différents sont connues. Le programme du cours toute matière est composée de particules La particule qui est responsable pour les caractéristiques chimiques est l atome. Les atomes peuvent interagir est former des groupes d atomes fortement liés: les molécules. Les interactions entre les molécules déterminent les points de fusion et les points d ébullition d une composée. La glace l eau vapeur d eau solide moléculaire liquide moléculaire gaz moléculaire 2

3 2. La structure des atomes 2. La structure des atomes La structure interne des atomes: les particules subatomiques Les atomes ne sont pas les plus petits particules possible mais ils sont constitués de particules subatomiques: les électrons, protons, et neutrons 3

4 Le modèle de Rutherford l atome contient un noyau très petit où toute la masse et la charge positive (les neutrons et les protons) sont concentrée entourée par un grand nuage électronique. Le nuage électronique et le noyau Exemple: r nuc = 1 cm r el = 1km Le rayon électronique est beaucoup plus grand que le rayon du noyau: r el /r nuc x 4

5 La chimie: - changements dans le nuage électronique - forces électromagnétique - énergie d interaction typique: 400 kj/mol La structure du noyau La structure du noyau Protons et neutrons sont constitués de particules encore plus élémentaires: les quarks La structure du noyau: la physique nucléaire Jusqu à 1932: 3 particules élémentaires: les électrons, protons, et les neutrons Aujourd hui: > 100 particules élémentaires (pions, positons, anti-particules,neutrinos, quarks (6 saveurs: up, down, charm, strange, top, bottom, 3 couleurs and 3 anti-couleurs) Site web des particules élémentaires: tml Quelles sont les forces qui tiennent le noyau ensemble malgré la large répulsion entre les protons? 5

6 Les forces fondamentales Le nombre atomique Les caractéristiques chimiques d un atome sont déterminé par le nombre des électrons qu il contient. Pour un atome neutre le nombre d électrons est égal au nombre des protons: n el = n prot Tous les éléments chimiques sont constitués d un seul type d atome qui est caractérisé par un nombre identique des protons n prot On l indique par: un symbole (1 or 2 lettres: p.ex. H (hydrogène), Na (sodium) etc ) le nombre atomique Z égal à le nombre des protons Z = n prot Dans le tableau périodique des éléments les éléments sont classifiés selon l ordre croissant du nombre atomique. 6

7 Le tableau périodique Le nombre de masse et les isotopes Tous les atomes peuvent contenir un nombre variable des neutrons ils possèdent les mêmes propriétés chimiques mais une masse différentes Le nombre total des nucléons (protons et neutrons) on appelle le nombre de masse A: A = n prot + n neut Les atomes avec les mêmes nombres atomiques mais des nombres de masses différents on appelle isotopes. Exemple: les isotopes de néon 7

8 Quiz I 1) Quel est le nombre atomique du carbone? A) 12 B) 6 C) 13 2) Quel est le nombre de masse de l isotope le plus abondant du carbone? A) 12 B) 6 C) 13 3) Combien de protons et de neutrons a-t-il cet isotope? A) 6 protons et 6 neutrons B) 12 protons et 12 neutrons C) 6 protons et 7 neutrons Les tables d isotopes Quels nombre de masse correspondent aux noyaux stables? La désintégration nucléaire: 8

9 Quelques isotopes importants Les isotopes stables sont caractérisés par n neut ~ n prot, resp. A ~ 2Z ( l île de stabilité ) Les propriétés physiques des isotopes Tous les isotopes d un élément ont le même nombre atomique (le même nombre des protons et des électrons n el = n prot ). Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais a cause de la différence en masse, ils peuvent avoir des propriétés physiques différentes. L image montre deux échantillons chacun avec une masse de 100g. L échantillon à gauche contient de l eau (H 2 O)et ce à droite de l eau lourd (D 2 O). A cause de la différence en densité, la volume occupé de l eau lourd est 11% moins que celle de l eau normale. 9

10 Résumé: nombre atomique et nombre de masse Tous les éléments chimiques sont constitués d atomes avec un nombre spécifique de protons (qui est égal au nombre des électrons). Le nombre de protons d un atome s appelle nombre atomique Z. Dans le tableau périodique tous les éléments chimiques sont classés en ordre croissant de Z. Exemple: Nombre de masse A 12 C 13 C 6 Nombre 6 atomique Z symbole chimique pour carbone 14 C % 1.10% <0.01% Les atomes d un élément peuvent contenir un nombre variable de neutrons, ça veut dire qu ils peuvent avoir des masses différentes. Des atomes qui ont un nombre identique de protons mais un nombre différent de neutrons, on appelle des isotopes. Le nombre total de protons et de neutrons déterminent la masse de l atome. On dit que les isotopes d un atomes ont le même nombre atomique Z mais un nombre de masse A qui est différents. Spectromètre de masse Les masses atomiques et moléculaires peuvent être mesuré avec grande précision... Les isotopes de néonn spectre de masse de HF spectromètre de masse Les masses s sont mesurées s dans des unités de masse atomique 1u: 1 u = kg Exemple: masse atomique de H: 1u (mais dans le TPE: m H = (selon l abondance naturelle des isotopes) 10

11 Quiz II 1) La masse atomique de H-1 est 1u. Est-ce que cette masse est égal à la somme des masses des particule subatomique de H-1? A) oui B) non 2) Quelle est la masse moyenne d un atome d hydrogène donnée par le tableau périodique des éléments? Quelle est l abondance naturelle des deux isotopes stables d hydrogène? 3) Combien de pics attendez-vous à voir dans un spectre de masse d une molécule C 2 H 2 (sans fragmentation)? A) 2 pics B) 4 pics C) 5 pics 4) Quelle est l intensité relatives de ces pics? Combien d atomes sont contenus dans les quantités macroscopiques de matière? 11

12 Quelques définitions... La mole: 1 mole est la quantité d une substance qui contient le nombre d Avogadro de particules. Le nombre d Avogadro N A : N A = mol -1 g A A La masse molaire: La masse d une mole de particules. À prendre note: La masse donnée dans les tableaux périodiques des éléments peut être interpréter comme masse d un seul atome de l élément en unités de masse atomique ou comme la masse moléculaire de cet élément en g/mol. La molarité d une solution: La molarité est une mesure pour la concentration d une solution. Une solution de molarité 1M contient une mole d une substance dissolue par litre de solution. Quiz III 1) Quelle est la masse molaire de l eau? A) 18 u B) 18 g/mol 2) Combien de moles sont contenues dans un échantillon de carbone de 1g? A) 1 mole B) 12 moles C) 1/12 mole 3) Combien de grammes de NaCl faut-il pour préparer un litre d une solution 2 molaire? A) 58 g B) 200g C) 116 g 12

13 Henri Becquerel Radioactivité 1) Émission de particules: e - particules α: 2 protons 2 neutrons 4 2 He 2+ radiation de type α émission d électrons radiation de type β 2) Émission de radiation électromagnétique éti Radiation de type γ Marie Curie ( ) Désintégrations nucléaires Désintégration α Désintégration β Capture d électrons Émission de positons 13

14 Réactions nucléaires fission nucléaire (décomposition des noyaux en noyaux plus petits: U-235, Pu-239) fusion nucléaire (fusions de deux noyaux: D et T) H bombe (fusion) Le soleil, un réacteur de fusion naturel Bombe atomique sur Nagasaki (fission Pu- 239) Réacteur nucléaire (fission U-235 et Pu-239) type propriétés de la radiation nucléaire degré de pénétration vitesse particule protection nécessaire exemple α bas (1) mais beaucoup de 10% c 4-He 2+ papier, la peau 226-Ra 222- Rn + α dégât β moyen (100) <90% c électron 3mm 3-H 3-He + e aluminium γ Haut (10 000) c photon béton,plomb 60-Co* 60- Co + γ β + Moyen > 90% c positon 22-Na 22-Ne + β+ p Moyen à bas 10 % c proton 53-Co 52-Fe + p n très haut < 10% c neutron 137-I 136-I + n 14

15 Lesquels des nucléides sont instable? Quel type de désintégration préfèrent-ils? consultez les tables d isotopes (si disponible)! essayez à prédire la décomposition préférée en utilisant la règle approximative de l île de stabilité: les isotopes sur la ligne noir sont en générales stables les isotopes dans la région bleue (A > 2Z) ont une probabilité haute pour l émission de type β dans la région rouge ( A > 2Z) radiation de type a est préféré les isotopes dans la région rose (A << 2Z) sont caractérisés par l émission de positions ou la capture d électrons Notez bien: souvent une réaction nucléaire aboutit aux produits qui sont eux-même instables. Exemple: La série des décompositions nucléaire d uranium

16 La loi de désintégration radioactive N(t) = N 0 e -kt L activité A est définit par la vitesse de la décompositions ça veut dire par le nombre de désintégrations par second: A( t) = N ( t ) N t t 0 0 = Δ N Δt N 0 : nombre des isotopes radioactifs au temps t 0 (t = 0) k: constant de désintégration (s -1 ) La demi-vie t 1/2 est le temps pour lequel la moitié des nucléides radioactifs sont décomposés. N(t 1/2 ) = 1/2 N 0 N 0 / 2 = N 0e ln(1 / 2) = kt t = ln( 2) / k 1 / 2 kt 1/ 2 1 / 2 Les demi-vies de quelques nucléides 16

17 Les mesures d activité compteur de scintillations compteur de Geiger Haute différence en potentiel ( V) (Ar et ethanol) Les applications en médecine tomographie par émission de positons (PET) (F-18, τ 1/2 = 110 min) imagerie: 99m Tc (γ, τ 1/2 = 6 h) buts thérapeutiques: 186 Re, 188 Re (β, τ 1/2 = 3.8 d) 131 I(β (β, τ 1/2 = 805d) Y (β, τ 1/2 = 64 h) 10 B (α après bombardement de neutrons, τ 1/2 = 8.05 d) pour déterminer l age: C-14 (β, τ 1/2 = y) 17

18 Unités de radiation radioactivité naturelle: K-40 etc. (4.4kBq, 200mrem), radiation cosmique (27mrem) 1986 Cernobyl Cs-137, pendant les premoer 10 jours: 12 exa Bq (une billion de billionn (10 18 ) Bequerels) Littérature supplémentaire pour chapitre II Atkins: Chimie. Molécules, Matière, métamorphoses : 1.3 L atome Latome nucléaire 1.4 Les isotopes Mol et masse molaire 22: Chimie nucléaire Atkins: Chemical Principles, the Quest for Insight Fundamental B and E chapter 17: Nuclear Chemistry 18

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