Atomes polyélectroniques



Documents pareils
Dérivées et différentielles des fonctions de plusieurs variables

Fonction réciproque. Christelle MELODELIMA. Chapitre 2 :

Professeur Patrice FRANCOIS

Transport des gaz dans le sang

Interactions des rayonnements avec la matière

Professeur Diane GODIN-RIBUOT

Transport des gaz dans le sang

Chapitre 7 : Structure de la cellule Le noyau cellulaire

Docteur José LABARERE

LES ELEMENTS CHIMIQUES

Chapitre 3 : Principe des tests statistiques d hypothèse. José LABARERE

BTS BAT 1 Notions élémentaires de chimie 1

CHAPITRE VI : HYBRIDATION GEOMETRIE DES MOLECULES

Tests paramétriques de comparaison de 2 moyennes Exercices commentés José LABARERE

Chapitre 6 Test de comparaison de pourcentages χ². José LABARERE

Généralités. Chapitre 1

La pompe cardiaque, le débit cardiaque et son contrôle

La filtration glomérulaire et sa régulation

Physique Chimie. Réaliser les tests de reconnaissance des ions Cl -,

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

1.2 Coordinence. Notion de liaison de coordinence : Cas de NH 3. et NH 4+ , 3 liaisons covalentes + 1 liaison de coordinence.

Effets électroniques-acidité/basicité

Partie 1. Addition nucléophile suivie d élimination (A N + E) 1.1. Réactivité électrophile des acides carboxyliques et groupes dérivés

Molécules et Liaison chimique

Les responsabilités des professionnels de santé

Enseignement secondaire

CHAPITRE 2 : Structure électronique des molécules

Professeur Eva PEBAY-PEYROULA

Principe d un test statistique

Théorie des multiplets! appliquée à! la spectroscopie d ʼabsorption X!

10 en agronomie. Domaine. Les engrais minéraux. Livret d autoformation ~ corrigés. technologique et professionnel

Application à l astrophysique ACTIVITE

1 ère Partie : Concepts de Base

Evaluation des stages hospitaliers par les étudiants en médecine

LOGICIELS DE GESTION. Cabinet dentaire AGATHA JULIE GESDENT LOGOS MACDENT POM DADENT TROPHY GESTION VISIODENT ET LES AUTRES

SECTEUR 4 - Métiers de la santé et de l hygiène

Calcaire ou eau agressive en AEP : comment y remédier?

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

LES SUBSTITUTIONS NUCLÉOPHILES EN SÉRIE ALIPHATIQUE S N 1 ET S N 2

Marine PEUCHMAUR. Chapitre 4 : Isomérie. Chimie Chimie Organique

Transmission des données de la surveillance de l exposition interne au système SISERI Description du format de fichier

Comment réaliser physiquement un ordinateur quantique. Yves LEROYER

Résonance Magnétique Nucléaire : RMN

Chap 1: Toujours plus vite... Introduction: Comment déterminer la vitesse d une voiture?

De la physico-chimie à la radiobiologie: nouveaux acquis (I)

ACIDES BASES. Chap.5 SPIESS

Jean-Marie RENARD Université Lille2 - octobre 2007

EXERCICES SUPPLÉMENTAIRES

3 Charges électriques

K W = [H 3 O + ] [OH - ] = = K a K b à 25 C. [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 M Solution neutre. [H 3 O + ] > [OH - ] Solution acide

LES COMPLEXES. Description orbitalaire, Structure, Réactivité, Spectroscopie. Martin VÉROT

CIRCULAIRE N 2983 DU 18/01/2010

Physique Chimie. Utiliser les langages scientifiques à l écrit et à l oral pour interpréter les formules chimiques

Découvrir les électrons par le pliage, à partir de 6 ans. supraconductivité. une histoire d électrøns

Ecole d été des spectroscopies d électrons.

Atelier : L énergie nucléaire en Astrophysique

Capacité Métal-Isolant-Semiconducteur (MIS)

Principe de fonctionnement des batteries au lithium

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

ACCREDITATION CERTIFICATE. N rév. 5. Satisfait aux exigences de la norme NF EN ISO/CEI : 2005 Fulfils the requirements of the standard

A retenir : A Z m n. m noyau MASSE ET ÉNERGIE RÉACTIONS NUCLÉAIRES I) EQUIVALENCE MASSE-ÉNERGIE

Titre alcalimétrique et titre alcalimétrique complet

Base de données bibliographiques Pubmed-Medline

Section «Maturité fédérale» EXAMENS D'ADMISSION Session de février 2014 RÉCAPITULATIFS DES MATIÈRES EXAMINÉES. Formation visée

Centre Universitaire LA CITADELLE 220, avenue de l Université B.P DUNKERQUE CEDEX 1 GUIDE DES ETUDES LICENCE PROFESSIONNELLE

VERITAS TUNISIE CATALOGUE ANALYSES LABORATOIRE

Indicateurs Normes Codes de conduite. Françoise Berthoud Grenoble, 12 juin 2012

France Telecom SA. Bilan d émissions de Gaz à effet de Serre (GES) Décembre 2012

Structures algébriques

Qu est-ce qu un ordinateur quantique et à quoi pourrait-il servir?

Fibonacci et les paquerettes

Unitecnic 2200 Unitecnic 2200 CS

Chapitre 4 - Spectroscopie rotationnelle

Comprendre l Univers grâce aux messages de la lumière

Introduction aux théories et aux concepts de l économie

VOLT LA NOUVELLE CHEVROLET

Didier Pietquin. Timbre et fréquence : fondamentale et harmoniques

Licence Chimie et procédés

de suprises en surprises

Synoptique des icônes Interwrite Workspace

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Spectrophotomètre à réseau

Décrets, arrêtés, circulaires

Fiche de révisions sur les acides et les bases

4 ème PHYSIQUE-CHIMIE TRIMESTRE 1. Sylvie LAMY Agrégée de Mathématiques Diplômée de l École Polytechnique. PROGRAMME 2008 (v2.4)

Compléments - Chapitre 5 Spectroscopie

Unitecnic 2210 Unitecnic 2210 CS

Université Paris-Dauphine DUMI2E 1ère année, Applications

DOCUMENTATION Version 1.003r du 23/01/2007. Guide de création de cours multimédia au format Macromedia Breeze Presenter

avec des nombres entiers

Bilan Carbone des interventions viticoles

LPP SAINT JOSEPH BELFORT MODE OPERATOIRE ACTIVINSPIRE. Bonne utilisation à toutes et tous! UTILISATION DES TBI LE LOGICIEL ACTIVINSPIRE

Demande chimique en oxygène

Cryptologie et physique quantique : Espoirs et menaces. Objectifs 2. distribué sous licence creative common détails sur

FONCTION EXPONENTIELLE ( ) 2 = 0.

Roulements à billes en plastique

SP. 3. Concentration molaire exercices. Savoir son cours. Concentrations : Classement. Concentration encore. Dilution :

Popsy Financials. Liaison bancaire

HTML. Notions générales

Conditions Générales de ventes

Transcription:

Chapitre 2 : UE1 : Chimie Chimie physique Atomes polyélectroniques Pierre-Alexis GAUCHARD Agrégé de chimie, Docteur ès sciences Année universitaire 2011/2012 Université Joseph Fourier de Grenoble - Tous droits réservés.

Chapitre 2. Atomes polyélectroniques I. Résolution de l équation de Schrödinger II. Configuration électronique

I. Résolution de l équation de Schrödinger Résolution impossible sans approximation du fait des répulsions entre électrons. I.1) approximation orbitalaire ou monoélectronique I.2) notion d effet d écran I.3) fonctions propres monoélectroniques I.4) diagramme énergétique

I.1) Approximation orbitalaire ou monoélectronique L approximation orbitalaire : Pour un atome comportant i électrons, la fonction propre polyélectroniques est égale au produit de i fonctions propres monoélectroniques indépendantes (les électrons sont considérés comme indépendants des uns des autres). Négliger totalement la répulsion entre électrons est une approximation trop grossière On va moyenner les interactions électrostatiques à travers la notion d effet d écran

I.2) Notion d effet d écran Atome polyélectronique de numéro atomique Z : charge du noyau = Z.e avec e: charge élémentaire = 1,6.10-19 C Z également appelé nombre de charge On considère qu un électron donné est soumis à l action d un noyau ayant un nombre de charge dit nombre de charge effectif Z* inférieur au nombre de charge Z du noyau de l atome. Z* = Z où appelée constante d écran, représente l effet moyen exercé par les autres électrons sur l électron donné. Par abus de langage, Z* est également appelée charge effective (en réalité la charge effective est Z*.e)

I.2) Notion d effet d écran Noyau de numéro atomique Z Ecran entre l électron et le noyau Constante d écran Noyau fictif de numéro atomique Z* = Z -

I.3) Fonctions propres monoélectroniques Chaque électron va pouvoir être décrit dans l approximation orbitalaire par une des fonctions propres solutions du cas simple de l atome d hydrogène (1s, 2s, 2p, etc). La représentation des orbitales atomiques est la même que dans le cas de l atome d hydrogène. OA ns OA np z z Pour les fonctions propres l influence de l écran des autres électrons n intervient pas ce sont les énergies qui vont être modifiées par rapport au cas de l atome d hydrogène par l effet d écran des autres électrons.

I.4) Diagramme énergétique systèmes polyélectroniques : introduction de l effet d écran énergies dépendent de n et de l : E(n,l) Système à 1 électron : E(n) n définit une couche (couches K, L, M, N, ) Système polyélectroniques: E(n,l) Le couple (n, l) définit une sous-couche Règle de Klechkovski L énergie des sous-couche augmente quand la somme (n + l) augmente. Lorsque la somme (n + l) est identique pour 2 sous-couches, la sous-couche de plus basse énergie est celle pour laquelle n est le plus petit.

I.4) Diagramme énergétique E 4s 4p 4d 4f ( ) 3s 3p 3d 4p 3d 4s 3p 4 + 1 = 5 3 + 2 = 5 4 + 0 = 4 3 + 1 = 4 3s 3 + 0 = 3 2s 2p 2p 2 + 1 = 3 2s 2 + 0 = 2 1s 1s 1 + 0 = 1 Atome d hydrogène E n Levée de dégénérescence Atome polyélectronique E n,l n + l

I.4) Diagramme énergétique n + l 1 2 3 4 5 6 7 8 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g 6s 6p 6d 6f ( ) 7s 7p 7d ( ) 8s 8p ( ) Moyen mnémotechnique pour la règle de Klechkovski D où l ordre: 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s etc. Energie

II. Configuration électronique II.1) position du problème II.2) règles de remplissage II.3) Electrons de coeur / de valence; représentation de Lewis d un atome II.4) exceptions aux règles de remplissage II.5) configuration électronique des ions à l état fondamental

II.1) Position du problème Écrire une configuration électronique d un atome = Répartir les électrons de l atome sur les différents niveaux énergétiques = «Remplir» les électrons dans les différentes orbitales atomiques Rappel une OA est décrite par 3 nombres quantiques: n, et m. Mais lorsqu on s intéresse au remplissage des OA par des électrons, on prend en compte un 4 ème nombre quantique qui rend compte des propriétés magnétiques de l électron. 4 ème nombre quantique : nombre quantique de spin L électron possède un mouvement de révolution sur lui-même appelé «spin» s = 1 / 2 Le sens de rotation est caractérisé par le «moment magnétique de spin» m s = + 1 / 2 ou - 1 / 2

II.2) Règles de remplissage i) Principe d exclusion de Pauli Dans le même atome, il ne peut pas y avoir 2 électrons dont les 4 nombres quantiques sont identiques Un électron 1s peut être décrit par : n = 1 l = 0 m = 0 m s = + 1 / 2 ou n = 1 l = 0 m = 0 m s = - 1 / 2 Conséquence Une OA donnée (n, l et m donnés) ne peut décrire que 2 électrons Et donc. 2 électrons maximum au niveau énergétique d une sous-couche s 6 électrons maximum au niveau énergétique d une sous-couche p 10 électrons maximum au niveau énergétique d une sous-couche d 14 électrons maximum au niveau énergétique d une sous-couche f

II.2) Règles de remplissage ii) Règle de stabilité On «remplit» les OA par ordre croissant d énergie en commençant par l OA de plus basse énergie (OA 1s) de manière à obtenir la configuration de minimum d énergie valable pour la configuration électronique dans l état fondamental! ordre croissant d énergie des OA est donné par la règle de Klechkovski

II.2) Règles de remplissage iii) Les 3 types de représentation de la configuration électronique Illustration des 3 types de représentation sur l exemple de l atome de Bore ( 5 B )dans son état fondamental: Représentation dans le diagramme énergétique les électrons sont représentés par des flèches verticales. : électron de m s = +1/2 : électron de m s = -1/2 : deux électrons décrits par la même OA. Ces électrons sont antiparallèles (m s différents) pour respecter le principe d exclusion de Pauli Une représentation possible E 3p 3s 2p 2s 1s Les 5 autres représentations équivalentes (les niveaux 1s et 2s étant les mêmes) 2p 2p 2p 2p 2p

II.2) Règles de remplissage Représentation en cases quantiques : les OA sont représentées par des cases appelées «cases quantiques». Les cases accolées représentent des OA dégénérées. 1s 2s 2p 3s 3p Idem : 5 autres représentations équivalentes Ecriture simplifiée de la configuration électronique: 5B : 1s 2 2s 2 2p 1

II.2) Règles de remplissage iv) La règle de Hund Exercice : configuration électronique du carbone ( 6 C) dans son état fondamental? E 2p 2s 1s E 2p 2s 1s E 2p 2s 1s États excités État fondamental 1s 2s 2p Règle de Hund : Pour des orbitales dégénérées, l état de stabilité maximum est obtenu lorsque les électrons occupent le nombre max de ces OA dégénérées, leur spin étant parallèles. Attention : l écriture simplifiée de la configuration électronique (ici 1s² 2s² 2p² ) ne fait pas apparaître cet état de stabilité maximum selon la règle de Hund.

II.3) Electrons de coeur / de valence; représentation de Lewis d un atome Les électrons de valence sont ceux dont le nombre quantique principal n est le plus élevé + ceux qui appartiennent à des sous-couches en cours de remplissage. 6C : 1s 2 2s 2 2p 2 Orbitale(s) de cœur électrons de coeur Orbitales de valence électrons de valence Les électrons de valence sont moins liés au noyau que les électrons de cœur. La représentation de Lewis des atomes ne tient compte que des électrons de valence. Les électrons célibataires sont représentés par des points. Les doublets d électrons sont représentés par des tirets. Une OA de valence vide peut-être représentée par un rectangle vide (= lacune électronique).

II.3) Electrons de coeur / de valence ; représentation de Lewis exemples de représentation de Lewis: Électrons de valence Représentation de Lewis du carbone dans son état fondamental : C ou C 6C : 1s 2 2s 2 2p 2 Remarque : Autre représentation de Lewis pour le carbone : C état excité 7N : 1s 2 2s 2 2p 3 N Électrons de valence 8O : 1s 2 2s 2 2p 4 O Électrons de valence

II.4) Exceptions aux règles de remplissage i) Limite à la règle de Klechkovski : inversion des sous-couches 4s et 3d OA «vides» : Règle de Klechkovski E 3d 4s E 4s 3d Présence d au moins un électron 3d Attention : la sous-couche 4s possède bien ses 2 électrons même si la sous-couche 3d n est pas complète L inversion est identique pour les sous-couches 5s et 4d, (puis 6s et 4f, puis 7s et 5f, etc.)

II.4) Exceptions aux règles de remplissage Exemple : configuration électronique du sélénium ( 34 Se ) (état fondamental) E 4p Inversion nécessaire 3d 4s 3p 3s 2p 2s 1s 30 électrons 18 électrons 10 électrons 34Se : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 3d 10 4s 2 4p 4 Couche de valence Représentation de Lewis du sélénium dans son état fondamental : Se

II.4) Exceptions aux règles de remplissage ii) Stabilité particulière des sous-couches d à demi ou totalement remplies cas du chrome 24 Cr Z=24 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 4 4s 2 Simplification de la notation [ 18 Ar] 3d 4 4s 2 stabilité particulière des sous-couches d à demi remplies [ 18 Ar] 3d 5 4s 1 Cr

II.5) Configuration électronique des ions à l état fondamental i) Cas des anions Ajout d un ou plusieurs électrons à la structure de l atome dans son état fondamental en respectant les règles de Pauli, Klechkovski et Hund Exemple : ion fluorure 9 F- Couche de valence Atome 9F 9 électrons F 9F : 1s 2 2s 2 2p 5 Ion - 9F 10 électrons - 9F : 1s 2 2s 2 2p 6 Couche de valence F

II.5) Configuration électronique des ions à l état fondamental ii) Cas des cations Élimination d un ou plusieurs électrons à la structure de l atome dans son état fondamental en respectant les règles de Pauli, Klechkovski et Hund Exemple : ion sodium : 11 Na + Atome 11Na 11 électrons Na 11Na : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 Ion 11Na + 10 électrons Na + 1s 2 2s 2 2p 6 11Na + : 3s 0

II.5) Configuration électronique des ions à l état fondamental iii) Cations des métaux de transition Exemples : ions fer : 26 Fe 2+ et 26 Fe 3+ Fer Fe Z=26 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 [ 18 Ar] 3d 6 4s 2 Conséquence La sous-couche 4s «se vide» avant la sous-couche 3d. 26 Fe 2+ [ 18 Ar] 3d 6 (4s 0 ) 26 Fe 3+ [ 18 Ar] 3d 5 (4s 0 ) Raisonnement identique pour les composés avec des électrons dans leur sous-couche 4d, 4f ou 5f. On vide d abord la sous-couche 5s, 6s ou 7s.

CQFR I) Effet écran Fondamental savoir donner l ordre énergétique des sous-couches grâce au «moyen mnémotechnique». II) Paragraphe très important. Savoir faire savoir donner la configuration électronique d un élément et d un ion, leur représentation de Lewis.

Exercices Question 1. Soient les espèces suivantes : phosphore 15 P soufre 16 S chlore 17 Cl et ion chlorure 17 Cl calcium 20 Ca scandium 21 Sc cobalt 27 Co et ion cobalt (II) 27 Co 2+ germanium 32 Ge rubidium 37 Rb ruthénium 44 Ru et ion ruthénium (IV) 44 Ru 4+ iode 53 I Donner la configuration électronique de ces espèces dans leur état fondamental, ainsi que leur nombre d électrons de valence. Donner des représentations de Lewis en accord avec les règles de remplissage. Question 2. Combien de doublets d électrons, d électrons célibataires et de lacunes électroniques font apparaître les représentations de Lewis dans leur état fondamental du phosphore 15 P, du soufre 16 S, du germanium 32 Ge et de l iode 53 I?

Question 1. Exercices 15P : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 ( autre notation possible (cf. ch3) : [ 10 Ne] 3s 2 3p 3 ) Nv = 5 électrons de valence (électrons des sous-couches en rouge) 16S : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 ( ou [ 10 Ne] 3s 2 3p 4 ) ; Nv = 6 17Cl : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 ( ou [ 10 Ne] 3s 2 3p 5 ) ; Nv = 7 17Cl : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ( ou [ 10 Ne] 3s 2 3p 6 ) ; Nv = 8 20Ca : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 ( ou [ 18 Ar] 4s 2 ) ; Nv = 2 21Sc : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 ( ou [ 18 Ar] 3d 1 4s 2 ) ; Nv = 3 27Co : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2 ( ou [ 18 Ar] 3d 7 4s 2 ) ; Nv = 9 27Co 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 (4s 0 ) ( ou [ 18 Ar] 3d 7 (4s 0 ) ) ; Nv = 7 32Ge : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 2 ( ou [ 18 Ar] 3d 10 4s 2 4p 2 ) ; Nv = 4 37Rb : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 5s 1 ( ou [ 36 Kr] 5s 1 ) ; Nv = 1 44Ru : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 6 5s 2 ( ou [ 36 Kr] 4d 6 5s 2 ) ; Nv = 8 44Ru 4+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 4 (5s 0 ) ( ou [ 36 Kr] 4d 4 (5s 0 ) ) ; Nv = 4 53I : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 6 4d 10 5s 2 5p 5 ( ou [ 36 Kr] 4d 10 5s 2 5p 5 ) ; Nv = 7 Question 2.

Mentions légales L'ensemble de cette œuvre relève des législations française et internationale sur le droit d'auteur et la propriété intellectuelle, littéraire et artistique ou toute autre loi applicable. Tous les droits de reproduction, adaptation, transformation, transcription ou traduction de tout ou partie sont réservés pour les textes ainsi que pour l'ensemble des documents iconographiques, photographiques, vidéos et sonores. Cette œuvre est interdite à la vente ou à la location. Sa diffusion, duplication, mise à disposition du public (sous quelque forme ou support que ce soit), mise en réseau, partielles ou totales, sont strictement réservées à l université Joseph Fourier (UJF) Grenoble 1 et ses affiliés. L utilisation de ce document est strictement réservée à l usage privé des étudiants inscrits à l Université Joseph Fourier (UJF) Grenoble 1, et non destinée à une utilisation collective, gratuite ou payante. Ce document a été réalisé par la Cellule TICE de la Faculté de Médecine et de Pharmacie de Grenoble (Université Joseph Fourier Grenoble 1)