Classification périodique des éléments et électronégativité

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Classification périodique des éléments et électronégativité

Julien Cubizolles

Lycée Louis le Grand

Vendredi 6 décembre 2019

sous licencehttp ://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/fr/ 1/1

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Atomes et éléments Classification périodique des éléments

Classification périodique des éléments et électronégativité

Julien Cubizolles

Lycée Louis le Grand

Vendredi 6 décembre 2019

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I Jusqu’au XIX^e, éléments chimiques caractérisés par leur masse et leurs propriétés physiques et chimiques.

I Mendeleïev (1869) : périodicité des propriétés quand on les classe par masse croissante.

I critiques (validées plus tard) de mesures de masses, I prédiction de nouveaux éléments et de leurs propriétés.

I désormais, classement en familles d’éléments depropriétés similaires

I établie au départ sans connaissance de la nature de l’atome (XX^e) I on l’étudiera cependant en utilisant le modèle atomique

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I critiques (validées plus tard) de mesures de masses,

I prédiction de nouveaux éléments et de leurs propriétés.

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I désormais, classement en familles d’éléments depropriétés similaires I établie au départ sans connaissance de la nature de l’atome (XX^e)

I on l’étudiera cependant en utilisant le modèle atomique

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I désormais, classement en familles d’éléments depropriétés similaires I établie au départ sans connaissance de la nature de l’atome (XX^e) I on l’étudiera cependant en utilisant le modèle atomique

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Atomes et éléments

Classification périodique des éléments Structure atomique

Structure électronique de l’atome d’hydrogène

1. Atomes et éléments

2. Classification périodique des éléments

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1. Atomes et éléments 1.1 Structure atomique

1.2 Structure électronique de l’atome d’hydrogène 2. Classification périodique des éléments

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Noyau et électrons

Définition (Atome)

Unatomeest une entité électriquement neutre, constituée d’un noyau chargé positivement et deneélectrons chargés négativement liés au noyau et formant lecortège électronique.

Lenoyauest formé den_p=n_eprotonschargés positivement, et den_n neutrons, électriquement neutres.

Unionest une entité électriquement chargée, formée par ajout ou retrait d’électrons d’un atome (ou d’une molécule). C’est uncation(resp.anion) si sa charge est positive (resp. négative).

I le rayon atomique varie en fonction de l’atome : par exemple H'0,5 Å=5·10⁻¹¹m

I rayon noyau'1 fm=1·10⁻¹⁵m, 2·10⁻⁶fois plus petit

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Noyau et électrons

Définition (Atome)

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Noyau et électrons

Définition (Atome)

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Charge

Définition (Nombre de chargeZ)

La chargeqde toute objet physique est un multiple de lacharge

élémentaireedont la valeur est, par définition :e=1,602 176 634·10⁻¹⁹C.

On a :

électron q_e=−e<0, proton qp= +e>0, neutron q_n= 0.

La neutralité d’un atome impliquene=np. On désigne parZ=nple nombre de chargeounuméro atomique.

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Charge

Définition (Nombre de chargeZ)

La chargeqde toute objet physique est un multiple de lacharge

élémentaireedont la valeur est, par définition :e=1,602 176 634·10⁻¹⁹C.

On a :

électron qe=−e<0, proton qp= +e>0, neutron q_n= 0.

La neutralité d’un atome impliquene=np. On désigne parZ=nple nombre de chargeounuméro atomique.

I charge du noyauq=Ze, charge totale des électrons−q=−Ze.

I n_n(neutrons) sans rapport immédiat avecn_p.

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Masse

La massemde l’atome dépend deZet du nombre de neutrons

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Masse

La massemde l’atome dépend deZet du nombre de neutrons Définition (Nombre de masseA)

On nommenombre de masse, notéAle nombre de nucléonsA=n_p+n_n d’un noyau. Avec les masses :

électron me=9,109 382 69(16)·10⁻³¹kg, proton m_p=1,672 621 71(29)·10⁻²⁷kg, neutron mn=1,674 927 28(29)·10⁻²⁷kg,

on peutapproximerla massemad’un atome ou ion selonma'Amp.

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Masse

Définition (Nombre de masseA)

On nommenombre de masse, notéAle nombre de nucléonsA=n_p+n_n d’un noyau. Avec les masses :

électron m_e=9,109 382 69(16)·10⁻³¹kg, proton mp=1,672 621 71(29)·10⁻²⁷kg, neutron m_n=1,674 927 28(29)·10⁻²⁷kg,

on peutapproximerla massemad’un atome ou ion selonma'Amp. I m_p'm_n'1800×m_em_e: la masse des électrons est négligeable.

I m_a<n_pm_p+n_nm_n+n_em_een raison deénergie de liaison nucléaire.

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Élément chimique

la réactivité chimique est gouvernée par la structure électronique : seulZ importe pour la chimie

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Élément chimique

la réactivité chimique est gouvernée par la structure électronique : seulZ importe pour la chimie

Définition (Élément chimique)

Unélément chimiqueχest caractérisé par son nombre de chargeZ.

Uncorps purest constitué d’une seule espèce chimique.

Uncorps pur simple(resp.composé) est constitué d’un seul (resp. de plusieurs) élément.

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Élément chimique

élément Cu(Z= 29)se retrouve dans plusieursespèces chimiques

I Le cristal Cu_s: un corps pur simple.

I Le cristal d’hydroxyde de cuivre CuOH_2s: un corps pur composé. I L’ion Cu²⁺en solution: une association de molécules de H₂O et d’ions

Cu²⁺.

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Élément chimique

élément Cu(Z= 29)se retrouve dans plusieursespèces chimiques I Le cristal Cu_s: un corps pur simple.

I Le cristal d’hydroxyde de cuivre CuOH_2s: un corps pur composé. I L’ion Cu²⁺en solution: une association de molécules de H₂O et d’ions

Cu²⁺.

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Élément chimique

I Le cristal d’hydroxyde de cuivre CuOH_2s: un corps pur composé.

I L’ion Cu²⁺en solution: une association de molécules de H₂O et d’ions Cu²⁺.

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Élément chimique

I Le cristal d’hydroxyde de cuivre CuOH_2s: un corps pur composé.

I L’ion Cu²⁺en solution: une association de molécules de H₂O et d’ions Cu²⁺.

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Isotope

la configuration du noyau joue sur réactiviténucléaire Définition (Définition)

Lesisotopesd’un élément chimique sont des atomes de même numéro atomiqueZmais de nombre de masseAdifférents. Ils sont présents naturellement dans des proportions différentes, caractérisées par leur abondance naturelle.

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Isotope

la configuration du noyau joue sur réactiviténucléaire Définition (Définition)

Lesisotopesd’un élément chimique sont des atomes de même numéro atomiqueZmais de nombre de masseAdifférents. Ils sont présents naturellement dans des proportions différentes, caractérisées par leur abondance naturelle.

I mêmesn_petn_e, maism_adifférentes.

I propriétés physiques très différentes, propriété chimiques très proches I un atome est noté^A_ZX : ¹²₆C (abondance 98,9%);¹³₆C (abondance 1,1%)

et¹⁴₆C (1·10⁻¹², instable) sont troisisotopesde l’élémentcarbone I ²³⁸₉₂U: 99,27%de l’uranium naturel

I ²³⁵₉₂U: 0,72%de l’uranium naturel est le seul fissible, utilisé dans les centrales selon n +²³⁵₉₂U ¹⁴¹₅₆Ba +⁹²₃₆Kr + 3 n par exemple

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Stabilité

certains noyaux sontinstableset se transmutent spontanément selon des réactionsnucléaires, principalement

Définition (Principales réactions nucléaires) rayonnementβ⁻ Â_ZX _Z+1ÂY + e^–+ν_e rayonnementβ⁺ Â_ZX _Z–1ÂY + e⁺+ν_e rayonnementα Â_ZX Â–4_Z–2Y +⁴₂He Exemple (Réactions nucléaires)

β⁻ ¹⁴₆C ¹⁴₇N + e^–+ν_e β⁺ ¹⁸₉F ¹⁸₈O + e⁺+ν_e

α ²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th +⁴₂He

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Stabilité

β⁻ ¹⁴₆C ¹⁴₇N + e^–+ν_e

β⁺ ¹⁸₉F ¹⁸₈O + e⁺+ν_e α ²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th +⁴₂He

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Stabilité

β⁻ ¹⁴₆C ¹⁴₇N + e^–+ν_e β⁺ ¹⁸₉F ¹⁸₈O + e⁺+ν_e

α ²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th +⁴₂He

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Stabilité

β⁻ ¹⁴₆C ¹⁴₇N + e^–+ν_e β⁺ ¹⁸₉F ¹⁸₈O + e⁺+ν_e

α ²³⁸₉₂U ²³⁴₉₀Th +⁴₂He

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Stabilité

Définition (Principales réactions nucléaires) rayonnementβ⁻ Â_ZX _Z+1ÂY + e^–+ν_e rayonnementβ⁺ Â_ZX _Z–1ÂY + e⁺+ν_e rayonnementα Â_ZX Â–4_Z–2Y +⁴₂He

I l’élément chimique change :transmutation I β⁻:n→p+e⁻+ν_e

I β⁺:p→n+e⁺+ν_e

I émission d’électronse⁻, de positrone⁺, de neutrino électroniqueν_e ou d’antineutrino électroniqueν_e

I le nombre de masse ne change pas pour les radioactivitésβ

I souvent le noyau produit sera dans un état excité et retombera dans son état fondamental en émettant un photonγ

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

I l’élément chimique change :transmutation

I β⁻:n→p+e⁻+ν_e I β⁺:p→n+e⁺+ν_e

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

(λ61·10⁻¹²m;E>100 keV)

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Stabilité

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Durée de vie

Définition (Durée de vie)

Les désintégrations radioactives d’un noyau instable obéissent à des cinétiques d’ordre 1, caractérisées par leur temps de demi-réaction nommé période radioactive, notéeT.

I un noyau est dit stablesiT>1·10¹²an I ¹⁴₆C:T=5,7·10³an (datation)

I ¹⁸₉F:T=1,1·10²min(imagerie médicale PET)

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Vallée de stabilité

I N'Zpour les noyaux stables à faibleZ

I β⁻quand il y a excédent de neutrons

I β⁺quand il y a excédent de protons

I αseulement pour des très lourds

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Masses atomique et molaire

la masse d’un isotope est légèrement inférieure àAmp

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Masses atomique et molaire

Définition (Mole)

Unemoleest la quantité de matière d’un système contenant 6,022 140 76·10²³entités.

Lenombre d’Avogadroest le nombre d’entités dans une mole. Sa valeur est donc :

N_A=6,022 140 76·10²³mol⁻¹.

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Masses atomique et molaire

Définition (Masse atomique)

Lamasse molaire atomique d’un isotopeÂ_ZX, notéeM(Â_ZX), est la masse d’une mole deÂ_ZX.

Lamasse molaire atomique d’un élémentX, notéeM(X), est la moyenne pondérée des masses molaires atomiques des isotopes de X, en proportion de leur abondance naturelle.

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Masses atomique et molaire

Définition (Masse atomique)

Lamasse molaire atomique d’un isotopeÂ_ZX, notéeM(Â_ZX), est la masse d’une mole deÂ_ZX.

Lamasse molaire atomique d’un élémentX, notéeM(X), est la moyenne pondérée des masses molaires atomiques des isotopes de X, en proportion de leur abondance naturelle.

I on utilise aussi l’unité de masse atomique u définie comme1/12de la masse d’un atome de {⁶12C : la masse atomique de¹²₆C est 12.

I on a1u'1,660 538 86(28)·10⁻²⁷kg'mp'mn

I M(U) =238,028 91 g·mol⁻¹, proche de celle de l’isotope majoritaire :

23892U(99,3%), de mêmeM(C) =12,011 g·mol⁻¹légèrement supérieure àM(¹²₆C)à cause des isotopes plus lourds

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Défaut de masse

I m(He) = 4.002602u,mp=1,007 276 466 61 u, mn=1,008 664 915 96 u,me=15,485 799 096 5·10⁻⁴u

I (m(He)−2m_p−2m_n)c²=−27 MeV≡∆mc²: énergie de liaison d’un noyau de He

I le défaut de masse∆mdonne l’ordre de grandeur de l’énergie libérée par la fusion nucléaire de noyaux légers

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1. Atomes et éléments 1.1 Structure atomique

1.2 Structure électronique de l’atome d’hydrogène 2. Classification périodique des éléments

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Observations expérimentales

les modèlesclassiquesdu mouvement de l’électron (ponctuel) autour d’un noyau (ponctuel) prédisent :

I des trajectoires électroniques elliptiques de fréquence quelconquesν I émission et absorption d’un rayonnement àνquelconques

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Observations expérimentales

I des trajectoires électroniques elliptiques de fréquence quelconquesν

I émission et absorption d’un rayonnement àνquelconques

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Observations expérimentales

I des trajectoires électroniques elliptiques de fréquence quelconquesν I émission et absorption d’un rayonnement àνquelconques

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Observations expérimentales

I décharges électriques (100 V·cm⁻¹) dans H_2(g)sous faible pression

I ionisation du gaz et courant électrique

I les collisions avec les électrons excitent H₂qui se désexcitent en émettant un rayonnement

I le spectre des longueurs d’ondes émises estdiscret I les longueurs d’ondeλiémises

sont indépendantes de la pression et de la température du gaz

Lampe à décharge : H_2(g)sous 1,8 kV

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Observations expérimentales

I le spectre des longueurs d’ondes émises estdiscret

I les longueurs d’ondeλiémises sont indépendantes de la pression et de la température du gaz

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Observations expérimentales

I le spectre des longueurs d’ondes émises estdiscret I les longueurs d’ondeλiémises

sont indépendantes de la pression et de la température du gaz

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Observations expérimentales

Définition (Spectre d’émission) Les longueurs d’ondes discrètes émises sont nomméesraies.

L’ensemble des raies constitue le

spectre d’émissionde l’atome. Spectre de H

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Spectres de différents éléments

Le spectre est caractéristique de l’élément étudié

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Transitions électroniques

dans la théorie quantique de l’atome (Bohr, Schrödinger) les niveaux d’énergie d’un électron sontdiscrets; l’émission et l’absorption correspondent à des changements d’état électronique

excitation l’électron « saute » d’un étatE_bvers un état d’énergie E_h>E_bsupérieure à l’issue d’une collision ou par absorption d’un photon de fréquenceν

désexcitation l’électron « descend » d’un étatE_hvers un état d’énergie E_b<E_hen émettant un photon de fréquenceν

(56)

Transitions électroniques

(57)

Transitions électroniques

Interaction atome-rayonnement

La conservation de l’énergie totale du système (atome + photon) lors de l’émission ou de l’absorption d’un photon se traduit par :

hν=E_h−E_b

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Transitions électroniques

Interaction atome-rayonnement

La conservation de l’énergie totale du système (atome + photon) lors de l’émission ou de l’absorption d’un photon se traduit par :

hν=E_h−E_b

I on a négligé l’effet Doppler (v_atomec) et l’énergie cinétique de l’atome (p²_photo/(2m_atome)hν)

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

comme pour les modes propres dans une boite quantique :

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

Définition (États stationnaires)

Les états quantiques qui n’évoluent pas en fonction du temps sont répartis de manière discrète ; on les nommeétats quantiques stationnaires. Leur énergieE =E_c+E_pot(et d’autres grandeurs comme le moment cinétique…) est en particulierstationnaire.

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

Définition (États stationnaires)

Les états quantiques qui n’évoluent pas en fonction du temps sont répartis de manière discrète ; on les nommeétats quantiques stationnaires. Leur énergieE =E_c+E_pot(et d’autres grandeurs comme le moment cinétique…) est en particulierstationnaire.

la densité de probabilité|Ψ|²est stationnaire, maisΨévolue selon Ψ(t) = Ψ(0)e^−iEt/^}

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

Atome d’hydrogène

Dans le cadre de la mécanique quantique, l’énergie de l’électron d’un atome d’hydrogène dans un état quantique stationnaire est quantifiéeie elle ne peut prendre que les valeurs discrètes :

E_n=−E0

n², avec :n∈N^? E0=13,605 692 3(12)eV.

On dit que l’électron se trouve dansl’état d’énergieE_n.

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

E_n=−E0

n², avec :n∈N^? E0=13,605 692 3(12)eV.

On dit que l’électron se trouve dansl’état d’énergieE_n.

I dansn= 1, le rayon esta0=0,529 177 210 8(18)Å I pour les autres états, la taille est de l’ordre den²a0

I E0eta0fixent toutes les échelles d’énergie/fréquence et taille à l’échelle atomique

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

E_n=−E0

n², avec :n∈N^? E0=13,605 692 3(12)eV.

On dit que l’électron se trouve dansl’état d’énergieE_n. I dansn= 1, le rayon esta0=0,529 177 210 8(18)Å

I pour les autres états, la taille est de l’ordre den²a0

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

E_n=−E0

n², avec :n∈N^? E0=13,605 692 3(12)eV.

On dit que l’électron se trouve dansl’état d’énergieE_n. I dansn= 1, le rayon esta0=0,529 177 210 8(18)Å I pour les autres états, la taille est de l’ordre den²a0

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États stationnaires de l’atome d’hydrogène

E_n=−E0

n², avec :n∈N^? E0=13,605 692 3(12)eV.

On dit que l’électron se trouve dansl’état d’énergieE_n. I dansn= 1, le rayon esta0=0,529 177 210 8(18)Å I pour les autres états, la taille est de l’ordre den²a0

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Diagramme énergétique

on retrouve les raies observées

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Diagramme énergétique

_Lyman (UV) retour vers n= 1_

_Balmer (visible) retour vers n= 2_

_Paschen (IR) retour vers

n= 3_ ^-10

-5 0

-13,6

E=hc/λ (eV)

retour -> n=1 Lyman (UV)

retour -> n=2 Balmer (visible)

retour -> n=3 Paschen (IR)

n=1 n=2

n=3 n=4 ionisation

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Nombres quantiques

plusieurs états stationnaire peuvent avoir la même énergie

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Nombres quantiques

Définition (Dégénérescence)

S’il existep(p>1) états quantiques stationnaires de même énergieE, le niveau d’énergie est ditdégénéré,pest sa dégénérescence.

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Nombres quantiques

Définition (Dégénérescence)

S’il existep(p>1) états quantiques stationnaires de même énergieE, le niveau d’énergie est ditdégénéré,pest sa dégénérescence.

l’entiernn’est donc pas suffisant pour caractériser un état quantique stationnaire

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Nombres quantiques

Nombres quantiques et orbitales atomiques

Un état quantique stationnaire, de l’atome d’hydrogène est complètement décrit par la données de4nombres entiers ou demi-entiers.

3sont relatifs au mouvement orbital de l’électron : I n∈N^?: nombre quantique principal,

I l∈N∈[0 ;n−1]: nombre quantique secondaire/azimuthal I m_l∈Z∈[−l;l]: nombre quantique magnétique

La donnée du triplet{n,l,m_l}caractérise complètement une orbitale atomique, notéeO.A..

Le quatrième est lenombre de spinm_s=±¹₂relatif au moment cinétique intrinsèque de l’électron nommé « spin ».

L’énergie d’un état est donnée par−^E_n⁰2, sa dégénérescence est2n²(en comptant les deux états de spinms=±¹₂).