LA COMPOSITION DE L ATMOSPHERE

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1 LA COMPOSITION DE L ATMOSPHERE Notre atmosphère est composée d un grand nombre de molécules différentes. La molécule est la plus petite partie de la matière qui conserve les propriétés chimiques et physiques de cette matière. Il existe un nombre infini de molécules de tailles et de formes différentes. Une molécule est le résultat d un assemblage d atomes. L atome est l unité de base qui constitue la matière. Il est la plus petite partie matérielle qui puisse être obtenue par fractionnement ou décomposition chimique d une substance. Par le terme «élément», on désigne le nom qui est attribué à l atome et qui ainsi détermine la nature de cet atome. ( par comparaison : la molécule = l auto ; les atomes = les pièces ; l éléments = le nom d une pièce (ex : la roue) Actuellement 109 éléments de base sont répertoriés parmi lesquels 90 sont d origine naturelle alors que les autres sont des créations de la recherche scientifique. Tous ces éléments sont classés dans un tableau appelé «le tableau périodique des éléments» ou «tableau de Mendeleïev (1869)» du nom de son créateur ( ). En notation symbolique, un élément est représenté par la première lettre de son nom latin, inscrite en majuscule, parfois suivie de la deuxième ou la troisième lettre du nom, inscrite en minuscule, lorsque la première est déjà utilisée comme symbole d un autre élément. Hormis quelques exceptions, généralement, le nom français est le nom latin. Oxygène = O Hydrogène = H Hélium = He Carbone = C Calcium = Ca Cadmium = Cd Exceptions : Le sodium ( nom latin : Natrium ) = Na L azote ( nom latin : Nitrogène ) = N Le potassium ( nom latin : Kalium ) = K Exercice : donner les symboles correspondants Chlore = Fluor = Chrome = Soufre = Iode = Silicium = Phosphore = Néon = Bore = Aluminium = Brome = Fer =

2 Dans la formule d une molécule, le nombre noté en indice ( en dessous) après le symbole chimique signale le nombre d atome ( >1 ) de cet élément présent dans la molécule. 1 molécule de glucose ( formule : C 6 H 12 O 6 ) est composée de : 6 atomes de Carbone ( C ) 12 atomes de Hydrogène ( H ) 6 atomes de Oxygène ( O ) Exercice : compléter les tableaux Molécules Symbole ( nom) Les différents atomes constituants des molécules Noter le nombre et le nom C 6 H 12 O 6 ( glucose ) 6 Carbone 12 Hydrogène 6 Oxygène Na NO 3 ( Nitrate de sodium ) Ca CO 3 ( Carbonate de Calcium ) H ClO ( eau de javel ) Na Cl (sel de cuisine) Al 2 O 3 (oxyde d aluminium) H 3 PO 4 (acide phosphorique) Ca (OH) 2 (hydroxyde de calcium) K MnO 4 (permanganate de potassium) Molécules composantes de l'air Symbole ( nom) Les différents atomes constituants des molécules Noter le nombre et le nom N 2 O 2 Ar CO 2 (dioxyde de Carbone) Ne He Kr H 2 Xe O 3 ( Ozone ) Rn H 2 O ( eau )

3 Un atome est formé de trois particules élémentaires. Le proton ( p + ) est une particule qui a une masse ( 1, g ) et qui est porteuse d une charge électrique positive. Elle constitue une partie du noyau de l atome et son nombre permet d identifier la nature de l atome. Chaque élément possède un nombre différent et invariable de proton. Dans le tableau de Mendeleïev, les éléments à l origine classés selon leur masse croissante, sont donc aussi classés selon l ordre croissant du nombre de protons. Ce nombre est appelé «le nombre atomique» ou «le numéro atomique», et symbolisé par la lettre «Z». Le neutron ( n ) est une particule qui a une masse ( 1, g ) proche de celle du proton mais qui n est pas porteuse d une charge électrique. On dit qu elle est électriquement neutre. Elle constitue l autre partie du noyau de l atome. Chez un même élément ( ex.: C (le carbone)), le nombre de neutrons peut être légèrement variable d un atome à l autre. Ces variations nous donnent ce qu on appelle les différents «isotopes» d un même élément ( ex.: C 12, C 14 ). Le nombre de neutrons moyen présent dans l élément peut être trouvé par le calcul suivant = la masse atomique le nombre de proton (le n atomique) ( La masse atomique est la masse d un atome. Elle est aussi inscrite sur le tableau de Mendeleïev ) L électron ( e - ) est une très petite particule qui a une masse quasi nulle et qui est porteuse d une charge électrique négative. Les électrons sont des particules en perpétuel mouvement qui ne font pas partie du noyau de l atome mais gravitent autour du noyau. Le nombre d électrons à proximité du noyau peut varier d un atome à l autre. Dans un atome électriquement neutre, le nombre d électrons (négatif) correspond au nombre de protons (positif). Dans un atome ayant une charge électrique qu on appelle «un ion», le nombre d électrons sera différent du nombre de protons. Si l atome est un «anion» ( un atome de charge négative ) le nombre d électrons sera supérieur au nombre de protons. Si l atome est un «cation» ( un atome de charge positive ) le nombre d électrons sera inférieur au nombre de protons

4 Exercice : compléter le tableau Symbole le nom la masse atomique Nombre de p + = n atomique Nombre de n Nombre d e - = masse atomique - nbre de p + = ± nbre de p + He Hélium 4, = 2 2 Br Brome 79, = Br - Br + O Cr Na + Cl - Cu ++ Anion Brome 79, = Cation Brome 79, = Cuivre Carbone Fe ++ H H

5 La configuration spatiale de l atome selon le modèle de Bohr ( Bien que démontré inexact depuis 1926 par Davisson et Germer, le modèle de Bohr est encore couramment utilisé pour expliquer de manière simple la structure atomique des éléments.) Dans la représentation de l'atome proposée par Monsieur Bohr, les électrons gravitent autour du noyau central sur des orbites circulaires rappelant celles que parcourent les planètes autour du soleil. Le noyau renferme les protons et les neutrons. Les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbites stables. Ces différentes orbites, au nombre de sept, sont désignées par les lettres K, L, M, N, O en partant du noyau et sont situées, chacune, à un niveau d énergie ( une distance du noyau ) bien défini. Ces sept orbites correspondent aux sept périodes (lignes horizontales) du tableau de Mendeleïev. Le nombre d électron se trouvant sur la dernière orbite (période) est au maximum de 8. Le chiffre romain des colonnes «a» du tableau de Mendeleïev correspond au nombre d électrons présents sur la dernière orbite. Le nombre maximum d électrons pouvant se trouver sur l orbite «n» répond à la formule suivante : 2 x n 2 ( «n» étant le numéro de l orbite, de la période ) Représentation schématique des couches d électrons pour les éléments des trois premières périodes

6 Les théories modernes sur la configuration spatiale de l atome La notion d'orbitale: L'électron est une particule extrêmement petite, toujours en mouvement et ne peut être représenté comme un grain de matière en mouvement autour d'un noyau central. On ne peut déterminer ni la vitesse ni la direction d'un électron mais seulement la probabilité, la chance, qu'il y a de le trouver dans un certain volume de l'espace situé autour du noyau et qu'on appelle l orbitale. Pour se représenter cette notion de probabilité de présence de l'électron, il faut imaginer une expérience dans laquelle on prend une série de photos d'un électron en mouvement autour d'un noyau. Si on superpose tous ces clichés successifs où l'électron apparaît chaque fois comme un point, il en résulte un nuage de points. Cette image représente la probabilité de présence de l'électron, appelée aussi densité électronique. Cette densité de points, ce nuage, dans une région de l'espace est la représentation visuelle d une orbitale de l'atome. L'orbitale est définie comme étant la région (le volume) de l'espace où est concentré au moins 95 % de la densité électronique

7 La configuration spatiale des orbitales atomiques: Comme dans le modèle de Bohr, les électrons sont situés autour du noyau à des niveaux d'énergie (distance) déterminés. Dans un ordre de stabilité décroissante ( du plus au moins puissant ), les niveaux énergétiques sont désignés par un nombre entier 1,2,..,7, appelé le nombre quantique principal qui correspondent aux 7 périodes ( lignes ) du tableau de Mendeleïev. Le nombre quantique principal nous renseigne sur le niveau d énergie ( le volume, la taille ) de l orbitale. Mais contrairement au modèle de Bohr, selon le "principe d'exclusion de Pauli" une orbitale atomique ne peut renfermer plus de 2 électrons. On ne peut donc trouver que 0, 1 ou 2 électrons dans une même orbitale. En conséquence: Sur la période 1 où selon la formule de Bohr nous pouvons avoir un maximum de 2 x n 2 ( 2 x 1 2 ) = 2 électrons, nous aurons donc 1 orbitale avec 2 électrons. Sur la période 2 où selon la formule de Bohr nous pouvons avoir un maximum de 2 x n 2 ( 2 x 2 2 ) = 8 électrons, nous aurons donc 4 orbitales avec 2 électrons. Sur la période 3 où selon la formule de Bohr nous pouvons avoir un maximum de 2 x n 2 ( 2 x 3 2 ) = 18 électrons, nous aurons donc orbitales avec 2 électrons. Sur la période 4 où selon la formule de Bohr nous pouvons avoir un maximum de 2 x n 2 ( ) = électrons, nous aurons donc orbitales avec 2 électrons

8 Chaque orbitale ne pouvant contenir que maximum 2 électrons, chaque période est subdivisée en sous-niveaux désignés par une lettre «s, p, d et f», appelée le nombre quantique azimutal. Le nombre quantique azimutal nous renseigne sur la forme générale de l'orbitale. Les différentes formes d orbitale s, p, d. ( nombre quantique azimutal et nombre quantique magnétique ) Les orbitales «s» sont des sphères ayant pour centre le noyau de l'atome. Il n y a qu une orbitale «s» par période ( niveau ). Les orbitales «p» forment des huit centrés sur le noyau et dirigés selon les axes cartésiens x, y, z. Elles sont donc au nombre de 3 et sont désignées par p x, p y, p z. Les orbitales «d» sont au nombre de 5 et de formes différentes. Les orbitales «f» sont au nombre de 7 et de formes complexes. Les indices x, y, z et autres sont appelés les nombres quantiques magnétiques et nous renseigne sur l'orientation de l orbitale. Une orbitale se définit donc par trois nombres quantiques: Le nombre quantique principal (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7) = le volume, la taille Le nombre quantique azimutal (s, p, d, f) = la forme Le nombre quantique magnétique (x, y, z, x 2, xy, xz, ) = l orientation

9 Dans le tableau de Mendeleïev, au-dessus du symbole chimique de l'atome et sous son numéro atomique, se trouvent le détail de la configuration orbitale ( s,p,d,f ) et celui du remplissage électronique ( les exposants des nombres quantiques azimutaux ). Règle de remplissage des orbitales Les propriétés d'un électron en mouvement dans une orbitale peuvent être assimilées à celles d'un minuscule barre aimantée ayant un pôle nord et un pôle sud. En effet, un courant électrique (courant d'électrons), passant dans un fil de cuivre enroulé autour d'une barre de fer, crée un champ magnétique et une polarisation de la barre de fer. Cette polarisation varie selon le sens d'enroulement du fil de cuivre. Dans l'orbitale, l'électron en tournoyant sur lui-même engendre également un champ magnétique et une polarisation. Ce comportement de barreau aimanté est appelé le spin de l'électron. Selon la polarité, seules deux sens sont possibles par rapport à l axe. Par déduction, deux électrons de même spin (même polarité) doivent se repousser. Dans une même orbitale, nous aurons donc toujours deux électrons de spin opposé. D'après la «règle de Hund», les électrons d'un même sous-niveau tendent à avoir le même spin. De ce fait, ils préfèrent occuper des orbitales séparées puisque les électrons de même spin se repoussent mutuellement. Les électrons remplissent donc d'abord les orbitales libres existantes, et, lorsqu'ils sont contraints d'occuper une même orbitale, leurs spins sont opposés. Le remplissage des orbitales se fait donc progressivement

10 Exemples de configuration détaillée 1s 2 2s 2 2p 6 cela signifie que l atome de Néon dispose de: 1s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire «s» de niveau 1 2s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire «s» de niveau 2 2p 6 = 6 électrons dans 3 orbitales en huit «p» de niveau 2 c est à dire : 2 p x 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des x. 2 p y 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des y. 2 p z 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des z. (Ne) signifie qu il faut reprendre le contenu de la configuration du Néon auquel il faut ajouter 3s 2 3p 3. Cela signifie que l entièreté de la formule pour l atome de Phosphore est 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3. L atome de Phosphore dispose donc de: 1s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire «s» de niveau 1 2s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire «s» de niveau 2 2p 6 = 6 électrons dans 3 orbitales en huit «p» de niveau 2 c est à dire : 2 p x 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des x. 2 p y 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des y. 2 p z 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orientée selon l axe des z. 3s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire «s» de niveau 3 3p 3 = 3 électrons dans 3 orbitales en huit «p» de niveau 3 c est à dire : 3 p x 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orientée selon l axe des x. 3 p y 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orientée selon l axe des y. 3 p z 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orientée selon l axe des z

11 Dessin de la configuration spatiale du Néon ( Ne) 1s 2 2s 2 2p 6 signifie que l atome de Néon dispose de: 1s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire de niveau 1 2s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire de niveau 2 2 p x 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 et orientée selon l axe des x. 2 p y 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 et orientée selon l axe des y. 2 p z 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 et orientée selon l axe des z. Niveau 1 Une orbitale «1s» => Niveau L orbitale «1s» + une orbitale «2s» => + trois orbitales «2p» => Ajoutons 2 électrons dans chaque orbitale. En représentation spatiale, pour une meilleure visualisation, on ne dessine que les orbitales du dernier niveau énergétique. ( niveau 2 pour le Ne )

12 Dessin de la configuration spatiale du Phosphore ( P ) La formule pour le Phosphore est 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3. L atome de Phosphore dispose donc de: 1s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire de niveau 1 2s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire de niveau 2 2 p x 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orienté selon l axe des x. 2 p y 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orienté selon l axe des y. 2 p z 2 = 2 électrons dans une orbitale en huit de niveau 2 orienté selon l axe des z. 3s 2 = 2 électrons dans une orbitale circulaire de niveau 3 3 p x 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orienté selon l axe des x. 3 p y 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orienté selon l axe des y. 3 p z 1 = 1 électron dans une orbitale en huit de niveau 3 orienté selon l axe des z. Niveau 1 Une orbitale «1s» => Niveau L orbitale «1s» + une orbitale «2s» + trois orbitales «2p» => Niveau L orbitale «1s» + l orbitale «2s» + les trois orbitales «2p» + une orbitale «3s» => + trois orbitales «3p» => Ajoutons les électrons dans les orbitales : 2 électrons dans l orbitale «3s» 1 électron dans chacune des trois orbitales «3p» En représentation spatiale, pour une meilleure visualisation, on ne dessine que les orbitales du dernier niveau énergétique. ( niveau 3 pour le P )

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