Chimie Minérale

Chimie inorganique (L2 – CH04Y030)

Chimie Minérale

●

Rémi Losno

●

[email protected]

●

Recherche en chimie de l'environnement à l'IPGP (1 rue Jussieu Paris 5

)

– Interaction atmosphère-océan, atmosphère- continent

– Impact climatique du cycle des métaux

– voir: http://www.ipgp.fr/fr/losno-remi et

http://www.ipgp.fr/fr/bge/biogeochimie-environnementale

2

Plan du cours

●

Atome (rappels et compléments): Slater, Tableau périodique, Électronégativité,

●

Chimie du Solide

–

Liaison ionique

–

Liaison covalente, métaux

●

Alcalins, alcalino-terreux et halogènes

●

Oxydes et métallurgie

–

Solide métallique, oxyde, échange d'oxygène

–

Diagramme d'Elingham

–

Introduction à la métallurgie

●

Evolution chimique, chimie nucléaire

Organisation

●

Pédagogie

– 12 h de cours (6 séances, 8h30-10h30 jeudi zoom)

– 12 h de TD (6 séances, 3 groupes)

– 8 h de TP (2 séances, 4-6 groupes)

– Clip Vidéo pendant la dernière séance de cours

●

Modalité de contrôle des connaissances

– Examen à la fin du semestre 75%

– Note de TP 25%, 2 TPs + Clip

4

Les atomes (beaucoup de rappels)

L'atome

●

Z protons de charge +e

●

A nucléons, A-Z neutrons

●

Z électrons de charge -e

– atome électriquement neutre

– électrons disposés en couches

●

Masse dans le noyau, volume et contact avec

l'extérieur par les électrons.

6

L'atome d'hydrogène Z=1

Ou:  _n,l,m = R _n,l (r) Y ^l,m (,)

Si on pose = 2 Z r / n a°, alors on obtient la série d'équations suivantes

(avec a°, rayon de Bohr, 53 pm)

E= Z²E°/n² E°= - me ⁴ /2h²

Fonctions radiales

8

Orbitales

s, p, d, f provient de propriétés spectroscopiques, on peut y ajouter un moyen mnémotechnique.

●s: sphérique (sharp)

●p: plan (principal)

●d: dual (diffuse)

●f: ? (fundamental)

Orbitale et fonction d'onde

●

Fonction d'onde: Champ scalaire dont le carré décrit la densité de probabilité de présence de l'ensemble

des électrons (plusieurs électrons)

●

Orbitale

– Champ scalaire identique à une fonction d'onde monoélectronique.

– approximation orbitalaire: la fonction d'onde

électronique d'un atome polyélectronique est la juxtaposition d'orbitales remplies avec des

électrons.

10

Atome polyélectronique

RÈGLE DE HUND : Dans un niveau d’énergie dégénéré on occupe d’abord tous les sous-niveaux par des électrons

de spin parallèle

●

On se base sur le modèle "hydrogénoïde"

●

On remplit les cases quantiques suivant la règle de Klechkovski, qui connaît cependant des

exceptions.

●

On applique le principe d'exclusion de Pauli, pas plus de 2 électrons et de spin opposés dans la même orbitale.

●

On garde en mémoire le phénomène de

répulsion inter électronique

Les orbitales dans l'ordre de Klechkowski

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f

12

Exemple: configuration électronique du fer

26 Fe: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ⁶

18 Ar: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶

26 Fe: [Ar] 4s ² 3d ⁶

Electrons de valence Electrons de coeur

Couches pleines couche K couche L couche M

Couches électroniques

Couches K et L du fer (Fe, Z=26)

14

Tableau périodique: familles

Lignes et colones

s p

d

n=1

16 P r e m i è r e é n e r g i e d 'i o n i s a t i o n ( e V )

B C

NO

A l S i

S cT iV C rM nFeC oN iC u G a

G e

Y Z rN bM oT cR uR hP d A g

I n S nS bT e

L aC eP rN dP mS mE uG dT bD yH oE rT mY b L u

H fT aW R eO sIr P tA u H g

T lP bB iP o R n

R a A c S

P

Z n C d

S e A s

H C l B r I

F

B a C s S r

X e

R b K r A r

C a K M g

N a N e

B e

L i H e

0 , 0 0 5 , 0 0 1 0 , 0 0 1 5 , 0 0 2 0 , 0 0 2 5 , 0 0 3 0 , 0 0

Z

M  M ⁺ + e ^-

Ei (eV)

1

L i

0 . 0 0 2 0 . 0 0 4 0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 0 . 0 0 1 0 0 . 0 0 1 2 0 . 0 0 1 4 0 . 0 0 1 6 0 . 0 0 1 8 0 . 0 0

H H e L i B e B C N O F N e N a M g A l S i P S C l A r K C a S c T i V C r M n F e C o N i C u Z n G a G e A s Z

eV

E i1 ( e V ) E i2 ( e V ) E i3 ( e V )

18

Règles de Slater

Electron

d’origine n-2, n-3... n-1 n n+1, n+2...

s,p // d // f

s,p 1 0.85 0.35 // 0 //0 0

d 1 1 1 // 0.35 // 0 0

f 1 1 1 // 1 // 0.35 0

E=− E° Z*²/n*² avec E°= 13.59eV

n* = n pour n = 2 ou 3 ; n* = 3,6 pour n=4 et n* = 4 pour n = 5.

r = 21.5 ( n*²/Z*) + 14.8 n* + 22.5 pm

Tableau Calcul

Programme SLATER

Rayon atomique

20

Rayons ioniques

Liaisons entre atomes: rappels

●

Indice de liaison

●

Paramagnétisme, diamagnétisme

●

Force de la liaison

●

Énergie de liaison

●

moment dipolaire

●

Modèles de Lewis, LCAO

22

Rappel: LCAO

Liant

Antiliant

Définition électronégativité

●

Dissymétrie du nuage électronique dans la liaison A-B (HF par exemple)

●

Polarisation de la liaison

●

Moment dipolaire

●

L'intensité du moment dipolaire dépend de la différence d'électronégativité

F H

électrons

m

sité électronique croissante

24

Moment dipolaire

●

Vecteur, comme une boussole, s'applique à une liaison comme à une molécule.

●

Dans le modèle de Lewis, les moments dipolaires de chaque liaison s'additionnent pour donner le moment dipolaire de la molécule

●

Caractère ionique partiel, donne la quantité

d'intensité de liaison apporté par l'attraction résultant

de la dissymétrie des charges

Échelles d'électronégativité

●

Définition atomique pure:

– Mulliken ½ (Ea + Ei), force sur e

●

Définition mixte atomique molécule homonucléaire

– Allred-Rochow Z*/r², r est le rayon covalent soit ½ de la longueur de liaison A-A, force sur e

●

Définition moléculaire pure

– Pauling , part ionique dans l'énergie de liaison.

µ =  _A -  _B

√ ^{E − √ E E}

26

Electronégativité de Mulliken

χ = 0.317 E _i + E _A

2 E en eV

E _A : affinité électronique*

M ^-  M + e ^-

*: Parfois nommé "électro-affinité"

Affinité électronique

H Be N Ne Al S K Ti Mn Ni Ga Se Rb Zr Tc Pd In Te Cs Ce Pm Gd Ho Yb Ta Os Au Pb At Ra Pa Pu 0.00

0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

EA (eV)

Element (Z croissant)

EA en eV

28

Comparaison E _A et E _i

H Be N Ne Al S K Ti Mn Ni Ga Se Rb Zr Tc Pd In Te Cs Ce Pm Gd Ho Yb Ta Os Au Pb At Ra Pa Pu 0.00

5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

EA (eV) Ei1 (eV)

Allred-Rochow et Pauling

 = 3590 Z*/r² + 0.744 ( ^{r en pm)}

Pauling

 _A -  _B = 0,102   _H ^{= 2.22}

Δ= E _{A −B} − √ ^{E AA E BB} E enkJ .mol ⁻¹

30

Electronégativité

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

H

Li Be

B C

N O

F

Na Mg

Al Si

P S

Cl

KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAs Se

Br

RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdIn SnSbTeI

CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIr

PtAuHgTlPbBiPo At

FrRaAcThPaUNpPuAmCm

Electronégativité

Allred & Rochow Pauling

Z 0.500.70

0.901.10 1.301.50 1.701.90 2.10

K Ca

ScTi V CrMn

FeCoNi Cu ZnGa

Electronégativité

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50

H

Li Be

B C

N O

F

Na Mg

Al Si

P S

Cl

KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAs Se

Br

RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdIn SnSbTeI

CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIr

PtAuHgTlPbBiPo At

FrRaAcThPaUNpPuAmCm

Electronégativité

Allred & Rochow Pauling

Mulliken

Z

32

Le solide cristallin

Auguste Bravais: 1811-1863

Johann

Wolfgang von Goethe

Hauy

Laue

Bragg Röntgen Thomson 1912

A voir

●

Définition d'un cristal

– Les 14 réseaux de Bravais (1850)

●

Cristal métallique

●

Solide ionique cristallin

– Multiplicité, coordinance

– Compacité

●

Energie réticulaire

– Cycle de Born-Haber

– Constante de Madelung

●

Défauts cristallins

34

Le cristal

●

Maille

●

Translation suivant x, y et z

●

Paramètre de maille

– a (cube a suivant x, a suivant y, a suivant z)

– a et c (a suivant x et y, c suivant z)

Réseaux de Bravais

subaru.univ- lemans.fr

36

Cristal métallique

●

Liaison métallique

●

Empilements compact (cfc, hc) ou non (c, cc)

●

Compacité

38

Bandes

Bande conduction

Gap

Niveau de Fermi

40

Semiconducteur dopé

N P

Empilement compact

Mg: ABABABAB.... Au: ABCABCABC...

42

44

46

Réseaux cristallins, exemples

Hexagonal compact e.g.: Ti, Zn, Mg, Cd Cubique face centrée

(compact)

e.g.: Al, Ni, Ag, Cu, Au

a a

Cubique centré

e.g.: Fe, V, Nb, Cr

Cristal ionique

●

Modèle des sphères dures.

– Réseau de cations, d'anions.

– Sites pour les contre-ions.

●

Énergie Réticulaire

– Cycle de Born-Haber

– Constante de Madelung

●

Défauts cristallins

– Schottky (Absence anion ou cation)

– Frenkel (Cation ou anion déplacé)

– Centre F (électron piégé)

48

Modèles de cristaux ioniques

●

Cubique face centrée, cfc (fcc)

– Halite (NaCl): cfc (fcc), sites o

– Blende (sphalerite ZnS); cfc (fcc), ½ site t

– Fluorite (CaF2): cfc, sites t

●

Cubique simple, CsCl: c, sites c

●

Hexagonal

– Wurzite

– Rutile

Halite: NaCl Chlorure de césium

50

Les sites

●

Cubique (8) type CsCl

●

Octaédrique (6) type Halite

●

Tétraédrique (4) type blende, würtzite, fluorite

Par Benjah-bmm27 — Travail personnel, Domaine public, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2068452

Blende (sphalérite)

Würtzite (polymorphe de la blende)

52

Limites des rayons

●Les 2 rapports r+/r- et r-/r+

doivent être supérieurs à cette limite, ou inférieurs à son

inverse... (respectivement 1.37, 2.44 et 4.44)

●La tolérance augmente quand la coordinence diminue

Rutile (TiO ₂ )

Maille

quadratique

54

L'énergie réticulaire (Er) ou "Lattice Enthalpy" (LE)

●

-Er est l'énergie (enthalpie) à fournir à une mole de cristal pour le transformer en un gaz d'ions infiniment dilué. Er est négatif*.

– Différent de enthalpie de formation.

●

Valeurs de Er

– Mesure avec le cycle de Born-Haber

– Calcul avec le modèle des sphères dures:

constante de Madelung

*: On peut cependant trouver des tables où les valeurs de Er sont inscrites en nombres positifs avec donc la définition opposée (cf. les énergies de liaison). Il faut savoir que la condensation du gaz d'ions est toujours exothermique.

Cycle de Born-Haber

NaCl_(s) Na_(s) + 1/2 Cl₂ Na_(g) + 1/2 Cl₂

Na_(g) + Cl Na⁺ + Cl + e^-

Na⁺ + Cl^-

Er = -786 kJ/mol

Energie

-E_A,Cl- = -355 kJ/mol E_i,Na+= 502 kJ/mol

121 kJ/mol (- ½ E_Cl-Cl) 107 kJ/mol

(L_{sub Na})

- ΔH°_fNaCl= 411 kJ/mol

Halite NaCl

56

Constante de Madelung

Chaîne linéaire z_A = -e

z_C = e r°

V = − e

4 π ϵ

r

Constante de Madelung

Chaîne linéaire z_A = -e

z_C = e r°

V = − e

4 π ϵ

r

r° r°

V =−2 e

4 π ϵ

r

58

Constante de Madelung

Chaîne linéaire z_A = -e

z_C = e r°

V = − e

4 π ϵ

r

V =−2 e

4 π ϵ

r

+2 e

4 π ϵ

2 r

−2 e

4 π ϵ

3 r

+ ....= − e

4 π ϵ

r

( 2 ln 2)

r° r°

V =−2 e

4 π ϵ

r

2r° 2r°

3r° 3r°

Constante de Madelung

Chaîne linéaire z_A = -e

z_C = e r°

V = − e

4 π ϵ

r

V =−2 e

4 π ϵ

r

+2 e

4 π ϵ

2 r

−2 e

4 π ϵ

3 r

+ ....= − e

4 π ϵ

r

(2 ln2 )

r° r°

V =−2 e

4 π ϵ

r

2r° 2r°

3r° 3r°

Facteur

géométrique

60

Constante de Madelung

Cristal Constante de

Madelung Coordinence

Halite

1.748 6:6

CsCl

1.763 8:8

Fluorite

2.519 8:4

Blende

1.638 4:4

Würzite

1.641 4:4

z

charge de l'anion z

charge du cation

E _r = z _a z _c e ²

4 π ϵ ₀ r ₀ M N _a

r°

Constante de Madelung bis

Cristal Constante de

Madelung Coordinence

Halite 1.748 6:6

CsCl 1.763 8:8

Fluorite CaF₂ 5.038 8:4

Blende ZnS 6.552 4:4

Würzite ZnS 6.564 4:4

E

= − e

4 π ϵ

r

M ' N

Vous pouvez encore trouver écrites des valeurs de constantes de Madelung où le produit |z_a| z_b y est intégré. Les valeurs y sont moins générales et moins

parlantes.

Ca²⁺ F^- Zn²⁺ S^2-

62

Energie réticulaire

●

NaCl: -780 kJ/mol mesuré, -766 calculé

●

CuCl: -993 kJ/mol mesuré, -904 calculé

●

NaI: -705 kJ/mol mesuré, -692 calculé

●

CuI: -963 kJ/mol mesuré, -833 calculé

Le modèle des sphère dures sous-estime systématiquement l'énergie réticulaire car il ne tient pas compte de la covalence, négligeable pour NaCl, ~20% de l'énergie pour CuI

Une façon équivalente d'exprimer ce résultat est de considérer que la

sphère dure se transforme en une forme non sphérique et molle

Défauts cristallins (entropie)

●

Schottky:

– absence d'un anion et/ou d'un cation

– remplacement par charge multiple ou compensation (exemple Na

par Mg

)

– Anti-Schottky: ion en plus

●

Centre F: électron piégé dans un site cationique

●

Frenkel: cation déplacé (parfois anion) générant une paire de défauts

– Lacune

– Interstitiel

64

Alcalins, alcalino-terreux et halogènes

Les alcalins

66

Abondance

●

Na 2.6% (halite NaCl) K 2.4% (carnallite KCl.MgCl

.6H

O)

●

Li, Rb et Cs très peu dans les silicates

●

Fr: pas d'isotope stable, 22 mois pour

Fr

Utilisation

●

Na-Pb plomb tétralkyl

●

NaOH, Na

CO

, Na

SO

, Na

SiO

●

K

SO

(engrais)

●

Li pour alkyl lithium, Li

soigne la schizophrénie.

●

Li dans les batteries d'accumulateur, les piles.

68

Forme courante

●

M

, parfois covalent surtout pour Li

●

Li

voisin de Mg

par son champ de force Z*/r

●

K

ressemble à NH

●

Rb

ressemble à Tl

et un peu Ag

Préparation

●

Na et Li par électrolyse de sels fondus (eutectique CaCl

+NaCl vers 600°C)

●

K, Rb et Cs par réaction des chlorures avec Na en phase gaz à contre courant, puis distillation.

●

NaCl, le plus stable des chlorures

70

Le lithium

http://sufiy.blogspot.fr/2010/03/lithium- abcs-by-rick-mills-tnrv-czxv.html

NaClKCl

KMgCl3·6(H2O)

Plateau du Puna

Extraction par échange

d'ions

72

74

Solide ionique

●

CsCl, coordinance 8

●

NaCl, coordinance 6

●

Formation des solides ioniques: adaptation de la taille des anions et des cations

●

MOH, bases fortes sauf LiOH (covalence)

●

Ions et cristaux incolores

●

Défauts F (trou+électron)

Réactivité

●

2 Li + ½ O

→ Li

O

●

2 Na + O

→ Na

O

●

K, Rb, Cs → MO

●

effet de taille, les gros cations sont stabilisés par les gros anions

●

Li + 3/2 N

→ LiN

(azoture de lithium)

76

Solubilité

●

Sels de Na solubles, sauf

NaZn(UO

)

(CH

CO

)

,6H

O (uranyl acétate de sodium)

●

K

, Rb

, Cs

, perchlorates (ClO

) insolubles

●

Dissolution dans NH

liquide

– Na → Na

+ e

(solution bleue)

Solvatation

●

Li

tétraédrique

●

Rb

et Cs

octaédrique

●

Na

et K

les deux

●

Plusieurs sphères d'hydratation, augmentation du nombre de molécules d'eau quand la taille de l'ion diminue.

La solvatation est l'arrangement de molécules de solvants autour d'une espèce, ici un cation alcalin, dans une structure avec une énergie par molécule de solvant

intermédiaire entre une liaison ionique ou covalente et une interaction intermoléculaire.

Quand il y a beaucoup de molécules de solvant impliquée, la somme de toutes les

78

Li⁺ Na⁺ K⁺ Rb⁺ Cs⁺

Ri (pm) 60 66 133 148 169

RHydratation (pm) 340 276 232 228 228

n H₂O 25.3 16.6 10.5 10 9.9

Mobilité (S.cm².mol^‑1)* 33.5 43.5 64.6 67.5 68

ΔH°_hydr (kJ/mol)

[ΔH°_hydr] par molécule

[20.5]519 406

[24.5] 322

[30.7] 293

[29.3] 264

[26.7]

Hydratation

*: mesures de conductibilité

Organo-métalliques

●

Li-C covalent, voir Be-C et Mg-C

●

Na-C ionique

80

Les alcalino-terreux

Quelques utilisations

●

Ca très abondant dans des concentrations de carbonates biogéniques et de gypse

(évaporites)

●

Le calcium dans le bâtiment

– Oxyde de calcium CaO dans le ciment et le béton

– Contruction en pierre calcaire (CaCO

)

– Le plâtre de Paris CaSO

, 0.5 H

O forme du gypse (CaSO

, 2 H

O) avec de l'eau.

Éclat rouge en pyrotechnie (Sr)

82

Mode de préparation des matériaux

●

Chaux (CaO)

– calcination à 900°C du carbonate de calcium

– CaCO

→ CaO + CO

●

Plâtre (CaSO

.0.5H

O)

– Chauffage du gypse

●

Prise du ciment à béton et mortier

– CaO + SiO

+ H

O → CaH

SiO

(mortier C-S-H)

En matériaux métallique

●

Le magnésium

– obtenu par électrolyse du chlorure anhydre fondu.

– allié à l'aluminium, il forme un alliage léger et résistant (duralumin). Les profilés en

"aluminium" sont en fait fabriqués avec cet alliage.

●

Le béryllium

– Grande transparence aux rayons X mous

– Très toxique

84

Les halogènes

Propriétés

●

Forment X

et de bonnes liaisons ioniques avec les alcalins.

●

La taille des atomes et des anions augmente quand Z augmente.

●

Les molécules X

sont oxydantes (facilité d'ionisation en anion et faiblesse de la liaison X-X) avec une force décroissante entre F

et I

.

●

Cl

utilisé comme antiseptique dans les eaux potables et les piscines, parfois remplacé par I

.

●

Utilisés en chimie organique: synthèse et polymères

(PVC).

86

Chimie des oxydes

Acidité de Lux & Flood

●

Echange de l'espèce O

●

Acide: accepteur d'ion oxyde

●

Base: donneur d'ion O

●

CaO + SiO

= CaSiO

= Ca

+ SiO

Ca

O

SiO

O

88

Enthalpie libre

Cherchons à faire la réaction:

M

O

→ x M + y/2 O

Cette réaction a une enthalpie libre de réaction égale à ΔG°

(pour réduction) pour les oxydes métalliques, la valeur de ΔG°

est presque toujours positive (sauf pour l'or et le platine).

la réduction de M doit donc est poussée par une réaction concomitante avec une valeur d'enthalpie libre négative pour que le bilan soit favorable à une telle

réaction. Pour cela on commence par normaliser toutes les réactions d'oxydation sur une mole de dioxygène:

M

+ O

= M

O

avec z= 2x/y, on obtient alors une série de valeurs de ΔG°

normalisées à une mole de dioxygène, et pour la plupart négative (réaction inverse de la réduction).

On peut alors écrire

z'M' + M

O

= M'

O

+ z M avec une enthalpie libre ΔG° = ΔG°'

- ΔG°

M

réduira l'oxyde de M si ΔG°'

est plus bas que ΔG°

.

Echelle d'enthalpie libre

ΔG°

M M"

M'

M" ne réduit pas l'oxyde de M

M' réduit l'oxyde de M

ΔG°>0

ΔG°<0

On notera une similitude avec la définition des E° qui quantifient le pouvoir Oxydant en solution aqueuse.

E° est une valeur de

ΔG°

ΔG°

ΔG°(T) = ΔH°(T) – T ΔS°(T)

90

Variation de l'enthalipe libre avec la température: diagramme d'Ellingham

ΔG°

T

500 K 3000 K

M"

M

ΔG°>0

ΔG°<0

M" réduit l'oxyde M" ne réduit pas de M

l'oxyde de M

Température d'inversion

Changement de phase pour M

92

P

= P

à l'équilibre l'oxyde de fer n'est pas réduit à 1500°C si les pressions partielles de CO et CO₂ sont égales

2 CO + O₂ = 2 CO₂ MO₂ + 2 CO = M + 2 CO₂

K= (PCO₂/PCO)²

P_CO = 10 P_CO2

à l'équilibre l'oxyde de fer est réduit en fer à 1500°C si la pression partielle de CO₂ est dix fois plus faible que la pression partielle de CO

2 CO + O₂ = 2 CO₂

94

Georges Chaudron (1891-1976)

http://www.uqac.ca/chimie_ens/Thermochimie/Chap_htm/CHAP_11.html

Courbes de Chaudron

C + CO

= 2 CO

Le haut fourneau

96

Haut fourneau

"moderne"

98

Reconstruction contemporaine d'un bas fourneau "Antique":

opérations en "batch" discontinus.

Chimie nucléaire

Evolution chimique

100

Noyau, isotope, élément

Noyau atomique 10^-14 à 10^-15 m Contient 99.9% de la masse de l'atome

Assemblage de protons (+e) et de neutrons (Chadwick, 1932)

Electron, 0.05 uma (8 10

g), charge -e (1,6 10

C), 10

m

Z: nombre de protons dans le noyau et nombre d'électrons dans l'atome caractérise l'élément

A-Z: nombre de neutrons dans le noyau

Même Z, A différent: même élément mais isotopes

Isotopes stable et instables

Zones de stabilité nucléaires:

● les noyaux stables sont en noir.

● Les noyaux représentés en couleur évoluent spontanément vers la stabilité en noir: c'est la radioactivité nucléaire. Perte de e^-

(rayonnement ^-), de e⁺ (rayonnement ⁺) d'une particule  pour les gros noyaux. Cette perte s'accompagne de l'émission d'autres particules dont souvent un photon 

La composition du noyau en proton et neutron ne peut pas être quelconque. La proportion de neutrons dans le noyau augmente avec Z. Elle est à peu près de 50% pour les noyaux dits "légers"; elle monte à 70% pour l'uranium.

102

A – Z

Z 160

130

80

β ⁺

β ^- α

84Po, At, Rn, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U

Masse isotopique

La masse d'un atome est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants "libres". La différence est entre 0.1 et 1%.

● Masse de ²H (²D): 2.01410 uma

● 2H c'est 1 proton, un neutron et un électron

● Masse proton: 1.00727644 uma

● Masse neutron: 1.00866500 uma

● Masse électron: 0.00054858 uma

● La somme fait: 2.01649 uma 1 atome de ¹²C a pour masse 12 uma.

1 uma c'est 1.660565510^-27 kg

104

Nomenclature des atomes

●

A chaque Z correspond un élément avec un nom et un symbole.

●

Il existe une liste consensuelle de symboles et de noms faisant correspondre chaque valeur de Z

– Z= 1; H, hydrogène (hydrogen)

– Z= 26; Fe, fer (iron)

●

Le nom des éléments a une origine historique.

Masse isotopique

La masse d'un atome est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants "libres". La différence est entre 0.1 et 1%.

● Masse de ²H (²D): 2.01410 uma

● 2H c'est 1 proton, un neutron et un électron

● Masse proton: 1.00727644 uma

● Masse neutron: 1.00866500 uma

● Masse électron: 0.00054858 uma

● La somme fait: 2.01649 uma La variation de masse est de -0.12%

1 atome de ¹²C a pour masse 12 uma.

1 uma c'est 1.660565510^-27 kg

Une bonne approximation (à 1%) de la masse d'un isotope

exprimé en uma (ou en g/mol) est son nombre de masse A.

106

Énergie de cohésion du noyau

●

Le défaut de masse peut se convertir en énergie :

∆E = ∆m c²

●

Pour comparer les atomes les uns aux autres, on définit le défaut de masse (ou l'énergie de cohésion) par nucléon

∆E / A

108

L'énergie par nucléon diminue

La masse par nucléon diminue aussi:

E = mc²

A graphical

representation of the semi-empirical binding energy formula. The binding energy per nucleon in MeV (highest numbers in dark red, in excess of 8.5 MeV per

nucleon) is plotted for various

nuclides as a function of Z, the atomic number (y- axis), vs. N, the number of

neutrons (x-axis).

The highest

numbers are seen for Z = 26 (iron).

Z

A-Z

110

Interactions nucléaires

●

Répulsion électrostatique entre les protons

– Portée sans limite

– Intensité décroissant avec la distance

●

Attractions par "l'interaction forte" entre les nucléon

– Courte portée

– Intensité croissante avec la distance

●

Energie: bilan de la répulsion et de l'attraction

Masse molaire isotopique et élémentaire

L'abondance isotopique naturelle pour un élément est sa composition isotopique relative observée sur Terre. Ce dernier point a fait l'objet de discussions très

récentes:

http://www.iupac.org/web/ins/214-1-85

Voir aussi le document pdf qui liste les masses et abondances isotopiques

●La masse molaire d'un atome est la masse d'une mole de cet atome.

●La masse molaire d'un élément est la masse d'une mole d'atomes de cet élément (même Z) dans les proportions isotopiques naturelles.

Définition de la mole:

C'est le nombre N_A d'atomes de ¹²C formant une masse de 12.000...g ouC'est le rapport entre 1 g et 1 uma: N_A = 1g/1uma

N_A est aussi appelé nombre d'Avogadro; N_A = 6,02214076  10²³ mol^-1. L'écriture

112

Masse molaire isotopique et élémentaire

Masse molaire du cadmium Cd, 112.41 g/mol.

Attention, il n'y a pas de masse atomique élémentaire pour les éléments comportant plusieurs isotopes.

106Cd 105.906458 1.25%

107Cd

108Cd 107.904183 0.89%

109Cd

110Cd 109.903006 12.49%

111Cd 110.904182 12.80%

112Cd 111.902757 24.13%

113Cd 112.904401 12.22%

114Cd 113.903358 28.73%

115Cd

116Cd 115.904755 7.49%

Calcul de la masse élémentaire

M ^Cd = M ¹⁰⁶ Cd * % ¹⁰⁶ Cd + M ¹⁰⁸ Cd

* % ¹⁰⁸ Cd + M ¹¹⁰ Cd *% ¹¹⁰ Cd + ...

Table d'abondance naturelle

114

Nucléosynthèse stellaire

12

C

13

N

13

C

14

N

15

O

15

N

p

p e+



 p



e+



Cycle CNO 26.73 MeV

Cycle CNO

116

Cycle CNO

Bilan 28 Mev

Supernovae

118

A b o n d a n c e s

1 , 0 0 E - 0 3 1 , 0 0 E - 0 2 1 , 0 0 E - 0 1 1 , 0 0 E + 0 0 1 , 0 0 E + 0 1 1 , 0 0 E + 0 2 1 , 0 0 E + 0 3 1 , 0 0 E + 0 4 1 , 0 0 E + 0 5 1 , 0 0 E + 0 6 1 , 0 0 E + 0 7 1 , 0 0 E + 0 8 1 , 0 0 E + 0 9 1 , 0 0 E + 1 0 1 , 0 0 E + 1 1

H L i B N F N a A l P C l K S c V M n C o C u G a A s B r R b Y N b T c R h A g In S b I C s

N u m é r o a t o m i q u e S y s t è m e S o la ir e ( a t o m e s )

C r o u t e e n m o l

0 , 0 1 0 , 1 1 1 0 1 0 0

L a C e P r N d P m S m E u G d T b D y H o E r T m Y b L u

He burning

www.indiana.edu/~geol116/week2/earthcomp.jpg

120 www.indiana.edu/~geol116/week2/earthcomp.jpg

Forte liaison de l'oxygène avec les autres éléments

Densité des oxydes < densité des métaux

Fin provisoire