Titre: l atomistique. Une vision moderne de l atome L ATOMISTIQUE

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1 Titre: l atomistique Une vision moderne de l atome L ATOMISTIQUE

2 Lumière et onde électromagnétique Lumière et Onde Electromagnétique tique Champ Electrique A Champ Magnétique Direction du rayon lumineux Longueur d'onde λ λ.ν = c h.ν = E I ka 2 c = 2, m.s -1. h est la constante de Planck h = 6, J.s.

3 Le spectre électromagnétique Le Spectre ElectroMagnétique tique λ.ν = c h.ν = E Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet 14 ν 5 10 Radio Micro Infra-Rouge ,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7, 10 lointain; proche Visible Ultra-Violet Rx Rγ λ 3km 30cm 3mm 0,03mm 300nm 3nm 3pm La lumière est émise ou absorbée

4 Les spectres atomiques Les Spectres Atomiques λ.ν = c h.ν = E Prisme Collimateur Film enregistreur

5 Les spectres atomiques Les Spectres Atomiques C est un spectre d absorption λ.ν = c h.ν = E Prisme Collimateur H Film enregistreur C est un spectre d émission Prisme Collimateur Film enregistreur Gaz chauffé

6 Les spectres atomiques Les Spectres Atomiques λ.ν = c h.ν = E Prisme Collimateur Film enregistreur Gaz chauffé Pour l hydrogène, on obtient le spectre d émission ci-dessous { Brackett { Paschen (IR) Balmer (visible) Lyman (UV) avec ν = R. c (1/n 2 1-1/n 22 ) où o n 1 = 1, 2, 3. n 2 = n 1 +1, n 1 +2, n 1 +3.

7 Une vision quantique des atomes Une vision quantique des atomes - L'atome de Rutherford ne peut exister - La théorie des quanta nous apprend que : Des échanges d'énergie entre matière et rayonnement de fréquence ν se produisent par quantités discrètes appelées quanta d'énergie hν. Les ondes électromagnétiques se comportent parfois comme des particules. Elles parviennent à arracher des électrons à la matière; c'est l'effet photo-électrique. Ces particules sont des photons La vision de l'onde électromagnétique est maintenant double puisqu'elle est à la fois onde et corpuscule: E= hν et p=h/λ

8 Le spectre des atomes Le spectre des atomes - Quand un atome absorbe un rayonnement de fréquence ν, l'énergie correspondante hν est transférée à l'atome. Atome + Photon Atome excité Il passe dans un état excité d énergie E*=E + hν - Quand un atome émet un rayonnement de fréquence ν, Atome excité Atome + Photon E=E* - hν Ces échanges de photons se font à des fréquences {ν } caractéristiques de la nature de l atome considéré. {ν } Elles constituent le Spectre de l atomel Bohr en a donné une première interprétation tation

9 Le modèle de Bohr et atome H 2 Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène L atome d hydrogène existe et est stable. 1) Equilibre des forces: centrifuge/centripète mv 2 + k e2 r r 2 = 0 2) Conservation de l énergie : E = E cinétique +E potentielle p + e - r v mv k e 2 r = E n 3) Conservation du moment de la quantité de mouvement: Moment angulaire : mvr = constant Hypothèse de Bohr : mvr =n.(h/2π) où n=1, 2, 3

10 Le modèle de Bohr et atome H2 1) 2) mv 2 r 3) en égalant Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène Résolution du problème: = k e2 r 2 mv 2 = k e 2 r mvr = n h 2π (mvr)2 = (n h 2π )2 mv 2 = n ( h mr 2 k e2 r = n 2 mr 2 ( h 2π )2 r = 4) donc: v = n h 2πmr = 2πke 2 nh 2 2π )2 n 2 h 2 4π 2 me 2 k = n 2.a 0 v = 1 n v 0 5) E n = mv2 2 + k e 2 r = 2π2 me 4 k 2 n 2 h 2 = A n 2

11 Le modèle de Bohr et atome H2 Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène En conclusion: 1) r n = n 2.a 0 = n 2.0, m 2) v n = 1 n v 0 = 1 n 2, m / s 3) E n = A n 2 = 21, 757 n j n=1, 2, 3,

12 Le modèle de Bohr et atome H2 Le modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogène Energie n Etats 0 Ionisé -A/25 5 } -A/16 4 Excités supérieurs -A/9 3 -A/4 2 Premier excité -A absorption émission 1 Fondamental {ν }

13 Le modèle ondulatoire Le modèle ondulatoire - Le modèle de Bohr ne s applique pas aux atomes autres que l hydrogène, ni en présence d un champ électrique ou magnétique - Les expériences de diffraction montrent que l'électron possède les caractéristiques d'une onde. - La longueur d'onde est déterminée par la relation de «de Broglie» λ=h/ =h/mv L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires. L O.E.M. est une onde aux caractéristiques corpusculaires. C est la dualité onde / corpuscule.

14 Le modèle ondulatoire(2) Le modèle ondulatoire (suite) - Le caractère ondulatoire de l électron se décrit par une fonction d'onde Ψ obtenue à partir de l équation de Schrödinger: H Ψ =E Ψ - L électron ne possède pas de trajectoire. - Seule sa probabilité de présence Ψ 2 est mesurable. - Le comportement de l électron de l atome d hydrogène se décrit au moyen de 4 nombres quantiques: n, n, l,, m, s. s n est le nombre quantique principal. Il fixe l énergie. l est le nombre quantique azimutal. m est le nombre quantique magnétique. s est le nombre quantique de spin. Il décrit une caractéristique intrinsèque de l électron.

15 Règles fixant les nbres quantiques Règles fixant les nombres quantiques Le nombre quantique principal n =1,2,3,. Similaire au n de Bohr, il définit les «couches» d énergie Au nombre quantique azimutal, on associe des symboles s, p, d, f Ils constituent des «sous-couches» au nombre de n n=1-> s; n=2 -> s, p; n=3 -> s, p, d; Le nombre magnétique fixe le nombre de «cases» ou «logettes» contenues dans les sous-couches s p d f Le spin de l él électron s peut prendre deux valeurs, la valeur +1/2, symbolisée par ; la valeur -1/2, symbolisée par

16 Le modèle ondulatoire Le modèle ondulatoire - Le comportement de l électron de l atome d hydrogène se décrit en précisant ses 4 nombres quantiques. - Lorsqu on choisit une valeur pour ces nombres, on obtient une orbitale par exemple 1s, 2s, 2p (2p x, 2p y, 2p z ), 4d, 5f,

17 Les états de l H2 Les états de l hydrogène n Symbole de l orbitale Energie Nombre Au total 1 1s E 1 =-A s E 2 =-A/ p x E 2 3 2p y E 2 2p z E 2 3 3s E 3 =-A/ p x E 3 3 3p y E 3 3p z E 3 3d xy E 3 5 3d yz E 3 3d xz E 3 3d x2-y2 E 3 3d z2 E 3

18 La forme des états S et P La forme des états «s» et «p» 1s 2s 2p z 2p x 2p y

19 La forme des états «d» La forme des états «d»

20 Modèle en couches Modèle en couches et configuration des atomes précise l'organisation des électrons dans les atomes, c.à.d. leur configuration électronique Principe d édification (Aufbau( Aufbau) Utilisons les orbitales atomiques déduites de l'hydrogène. - L'ensemble des électrons décrit par un même nombre n constitue une couche électronique (1 K; 2 L; 3 M; 4 N; 5 O; 6 P) - Les sous-couches sont définies à partir des valeurs: s, p, d, f - Les cases sont définies à partir de 1, 3, 5, 7, possibilités Exemple: M 3s, 3p, 3d

21 Remplissage des couches Energie et ordre de remplissage des couches Energie Symbole des Nombre de Structure des orbitales cases Sous-couches 6d 5 5f 7 7s 1 6p 3 5d 5 4f 7 6s 1 5p 3 4d 5 5s 1 4p 3 3d 5 4s 1 3p 3 3s 1 2p 3 2s 1 1s 1

22 Règles de construction des configurations Principe d édification (Aufbau( Aufbau) Règles de construction des configurations Chaque électron est caractérisé par 4 nombres quantiques n,l,m,s. On empile les électrons un à un en respectant les niveaux d'énergie. Le principe de PAULI précise que 2 électrons d une configuration se distinguent par au moins 1 nombre quantique. 2 électrons peuvent donc partager la même case, s ils diffèrent par leur spin: 1er 2nd ou La règle de HUND précise que si plusieurs cases ont la même énergie (sous-couche) les électrons se placent avec le spin maximal ou ou S=1 De même m me pour 3 électrons : S=1,5

23 Le tableau périodique Le Tableau périodiquep Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l atome en respectant les règles 4s 3p 3s 2p 2s 1s Ne 10e - 1s 2 2s 2 2p 6 F O N C B Li 3e - 1s 2 2s 1 He 2e - 1s 2 H 9e - 1s 2 2s 2 2p 5 8e - 1s 2 2s 2 2p 4 7e - 1s 2 2s 2 2p 3 6e - 1s 2 2s 2 2p 2 5e - 1s 2 2s 2 2p 1 Be 4e - 1s 2 2s 2 1e - 1s 1 Couche L n=2 Couche K n=1

24 Règles d empillement des atomes Le Tableau périodiquep Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l atome en respectant les règles 4s 3p 3s 2p 2s 1s Ne 10e - He 2s 2 2p 6 F O N C B Li 3e - He 2s 1 He 2e - 1s 2 H 9e - He 2s 2 2p 5 8e - He 2s 2 2p 4 7e - He 2s 2 2p 3 6e - He 2s 2 2p 2 5e - He 2s 2 2p 1 Be 4e - He 2s 2 1e - 1s 1 Couche L n=2 Couche K n=1

25 Ensuite pour la couche M: Le tableau périodique (couche M) Le Tableau périodiquep 4s 3p 3s 2p 2s 1s Ar 18e - Ne 3s 2 3p 6 Cl 17e - Ne 3s 2 3p 5 S P 16e - Ne 3s 2 3p 4 15e - Ne 3s 2 3p 3 Si 14e - Ne 3s 2 3p 2 Al 13e - Ne 3s 2 3p 1 Mg 12e - Ne 3s 2 Na 11e - Ne 3s 1

26 Structure du tableau Structure du Tableau Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np n Fonctions 1 1s 2 2s 2p 3 3s 3p 4 4s 3d 4p 5 5s 4d 5p 6 6s 4f 5d 6p 7 7s 5f 6d 7p

27 Structure du tableau (fonctions) Structure du Tableau Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np n Fonctions 1 2 1s 2 8 (10) 2s 2p 3 8 (18) 3s 3p 4 18 (36) 4s 3d 4p 5 18 (54) 5s 4d 5p 6 32 (86) 6s 4f 5d 6p 7 32 (118) 7s 5f 6d 7p Places disponibles

28 Str. du tableau (places disponibles) Structure du Tableau En termes de périodes - groupes et sous-groupes Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0 n=1 2 3 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb 4 ns (n-1) d np Bloc s Bloc d Bloc p (n-2) f Bloc f

29 Structure du tableau Structure du Tableau En termes de périodes - groupes et sous-groupes Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0 n=1 2 3 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb 4 ns (n-1) d np Bloc s Bloc d Bloc p (n-2) f Bloc f

30 Structure du tableau (élement) Structure du Tableau H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

31 Les métaux Les métauxm H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

32 Les métaux et les non-métaux Les métaux m et les non métauxm H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

33 Elément gazeux du tableau L état physique des éléments: Structure du Tableau H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

34 Elément liquide du tableau L état physique des éléments: Structure du Tableau H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

35 Elément solide du tableau L état physique des éléments: Structure du Tableau H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

36 Le rayon atomique Le rayon atomique Propriétés s des éléments - Le rayon de covalence = moitié de la distance entre les noyaux du corps simple correspondant. - Le rayon de van der Waals = moitié de la plus petite distance entre deux noyaux de molécules différentes 2*r(cov cov) 2*r(vdw vdw)

37 Propriétés du rayon de covalence Le rayon atomique Propriétés s des éléments - Propriétés s du rayon de covalence 0,25 0,2 Rayon atomique en nm K Na 0,15 0,1 Li Cl Br 0,05 0 F Z

38 Variation du rayon de covalence Le rayon atomique Propriétés s des éléments H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr -C est une conséquence de l Effet l d écran Z * (+e) = Z(+e) -σ - Les rayons ioniques Par rapport à l élément: Rayon des cations Rayon des anions

39 Potentiel d ionisation Propriétés s des éléments Le Potentiel d ionisation d et l affinitl affinité électronique - Le potentiel d ionisation est l énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. A A + + e - EI(eV ev) A + A 2+ + e - EI (ev ev) - L affinité électronique est l énergie qui se dégage lorsqu un électron est ajouté à l atome. A + e - A - A e (ev) A - + e - A 2- A e (ev)

40 Graphe du potentiel d ionisation Le Potentiel d ionisationd Propriétés s des éléments 25 PI He 20 Ne Ar Kr O S Se B Al Li Na Ga K Z

41 Variation du pot. d ionisation au des atomes Le Potentiel d ionisationd Propriétés s des éléments H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

42 L électronégativité de Mulliken L électronégativité Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des molécules cules, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

43 L électronégativité de Mulliken L électronégativité Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des molécules cules, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif H He Li Be B C N 0 F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru~ Rh~ Pd~ Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al Rn Fr Ru Ac* Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Th* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr Les métaux forts 0,7 << χ 1,2 Les métaux faibles 1,5 χ 2,0 Les non-métaux 2,1 χ 4,0