Une vision moderne de l ’atomeUne vision moderne de l ’atomeL ’ATOMISTIQUEL ’ATOMISTIQUE

(1)

Une vision moderne de l ’atome Une vision moderne de l ’atome

L ’ATOMISTIQUE L ’ATOMISTIQUE

Titre: l’atomistique

(2)

Lumière et Onde Electromagnétique Lumière et Onde Electromagnétique

 = c= c hh = E = E II kA kA²² c = 2,997925.10⁸ m.s^-1. h est la constante de Planck

h = ^6,626 10^-34 J.s.

Lumière et onde électromagnétique

Champ Electrique

Direction du Champ rayon lumineux Magnétique

Longueur d'onde λ A

(3)

Le Spectre ElectroMagnétique Le Spectre ElectroMagnétique

 = c= c hh = E = E

5

10

9

10

11

10

13

10

17

10

Radio Micro Infra-Rouge.

lointain; proche

Ultra-Violet Rx R γ

15

10 Visibe

Rouge Orage Jaue Vert Beu Vioet

14

4,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7, 10

3km 30cm 3mm 0,03mm 300m 3m 3pm

ν

λ

La lumière est émise ou absorbée La lumière est émise ou absorbée

Le spectre électromagnétique

(4)

Les Spectres Atomiques Les Spectres Atomiques

 = c= c hh = E = E

Les spectres atomiques

Collimateur Prisme

Film enregistreur

(5)

 = c= c hh = E = E

Gaz chauffé Collimateur

Prisme

Film enregistreur

C’est un spectre d’émission

C’est un spectre d’absorption

Film enregistreur

Collimateur

Prisme ^H

(6)

 = c= c hh = E = E

avecavec   = R . c (1/n = R . c (1/n₁₁²² -1/n -1/n₂₂²²) où n) où n₁₁ = 1, 2, 3 … = 1, 2, 3 … 

n

n₂₂= n= n₁₁+1, n+1, n₁₁+2, n+2, n₁₁+3….+3….

Gaz chauffé Collimateur

Prisme

Film enregistreur

Lyman (UV) Balmer (visible)

Paschen (IR) Brackett{

{

Pour l ’hydrogène, on obtient le spectre d’émission ci-dessous

(7)

Une vision

Une vision quantique quantique des atomes 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  se produisent par quantités discrètes appelées

quanta quanta

d'énergie

h



• 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 photons

• La vision de l'onde électromagnétique est maintenant double puisqu'elle est à la fois onde et corpuscule: E= hE= h  etet p=h/ p=h/

Une vision quantique des atomes

(8)

Le spectre des atomes Le spectre des atomes

- Quand un atome absorbe un rayonnement de fréquence , l'énergie correspondante hh est transférée à l'atome. 

Il passe dans un état excité d’énergie E*=E + hh

• Ces échanges de photons se font à des fréquences {  } caractéristiques de la nature de l’atome considéré.

Atome + Photon  Atome excité

Atome excité  Atome + Photon

- Quand un atome émet un rayonnement de fréquence , E=E* - hh

Bohr en a donné une première interprétation Bohr en a donné une première interprétation

Elles constituent le

Spectre de l’atome Spectre de l’atome

{ }

Le spectre des atomes

(9)

Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène

1) Equilibre des forces: centrifuge/centripète

2) Conservation de l ’énergie : E = E cinétique +E potentielle

3) Conservation du moment de la quantité de mouvement:

mv²

r + k −e²

r² = 0

mv²

2 + k −e²

r = E_

L ’atome d’hydrogène existe et est stable.

Moment angulaire : mvr = constant Hypothèse de Bohr

Hypothèse de Bohr : mvr =n.(h/2p où n=1, 2, 3…

p⁺ r

e^- v

Le modèle de Bohr et atome H2

(10)

1) 2)

3) en égalant

mv²

r = k e²

r² ⇒ mv² = k e²

r

Résolution du problème:

mvr =  h

2π ⇒ (mvr² = (  h

2π² ⇒ mv² = ²

mr² ( h 2π ²

ke²

r = n²

mr² ( h

2π )² ⇒ r = n²h²

4π²me²k =n².a₀

4) donc: ^v ^{= } _2π^h_mr ⁼ ²_h^πke

2

⇒ v= 1

 v₀

5) E_n = mv²

2 + k −e²

r = −2π²me ⁴k²

²h² = −A

²

(11)

En conclusion:

1) r_n = ² a₀ = ²0,529710⁻¹⁰ m

n=1, 2, 3, …

2)^vⁿ ⁼ ¹_ ^v⁰ ⁼ ¹_ ^2,21410⁶ ^{m / s} 3) ^En = −A

² = −21, 757

² 10⁻¹⁹ j

(12)

Le modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogène Le modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogène

-A -A/4 -A/9 0

-A/25

-A/16

Energie n Etats

1 3

2

∞

5 4

absorptio émissio

Fodameta

Ioisé

Excités supérieurs

Premier excité

}

{ }

(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 »« de Broglie »

  =h/mv =h/mv

L ’O.E.M. est une onde aux caractéristiques corpusculaires.

L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires.

C’est la

dualité onde / corpuscule dualité onde / corpuscule

.

Le modèle ondulatoire

(14)

Le modèle ondulatoire (suite) Le modèle ondulatoire (suite)

- Le caractère ondulatoire de l’électron se décrit par une fonction fonction d'onde

d'onde  obtenue à partir de l’équation de Schrödinger: H Schrödinger: H  =E =E  - L’électron ne possède pas de trajectoire.

- Seule sa probabilité de présence - ² est mesurable.

n n

est le nombre quantique principal. Il fixe l’énergie.

- Le comportement de l’électron de l’atome d’hydrogène se décrit au moyen de 4 nombres quantiques:

n, n, l l , m, s , m, s

.

l l

est le nombre quantique azimutal.

m m

est le nombre quantique magnétique.

s s

est le nombre quantique de spin.

Il décrit une caractéristique intrinsèque de l’électron.

Le modèle ondulatoire(2)

(15)

Règles fixant les nombres quantiques Règles fixant les nombres quantiques Le nombre quantique principal n

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 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 …

1 3 5 7 …

Le spin de l’électron s

peut prendre deux valeurs, la valeur +1/2, symbolisée par ;

la valeur -1/2, symbolisée par 

Règles fixant les nbres quantiques

(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.

Le modèle ondulatoire

- 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 ’hydrogène Les états de l ’hydrogène

Les états de l’H2

n Symbole de

l’orbitale Energie Nombre Au total

1 1s E₁=-A 1 1

2 2s E₂=-A/4 1 4

2p_x E₂ 3

2p_y E₂

2p_z E₂

3 3s E₃=-A/9 1 9

3p_x E₃ 3

3p_y E₃

3p_z E₃

3d_xy E₃ 5

3d_yz E₃ 3d_xz E₃

3d_x2-y2 E₃

3d_z2 E₃

(18)

La forme des états « s » et « p » La forme des états « s » et « p »

1s 1s 2s 2s

2p 2p

_z_z

2p 2p

_x_x

2p 2p

_y_y

La forme des états S et P

(19)

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

La forme des états « d »

(20)

Modèle en couches et configuration des atomes 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)’édification (Aufbau)

 Utilisons les orbitales atomiques déduites de l'hydrogène.

 - L'ensemble des électrons décrit par un même nombre

n 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…

Exemple: M  3s, 3p ,

 3d 

- Les cases sont définies à partir de 1, 3, 5, 7, … possibilités

Modèle en couches

(21)

 Energie et ordre de remplissage des couchesEnergie et ordre de remplissage des 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  

Energie Symbole des Nombre de Structure des orbitales cases Sous-couches

Remplissage des couches

(22)

2 électrons peuvent donc partager la même case, s’ils diffèrent par leur spin:

Règles de construction des configurations Règles de construction des configurations

Principe d ’édification (Aufbau)’édification (Aufbau)

 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.

 Chaque électron est caractérisé par 4 nombres quantiques n,l,m,s.

 La règle de HUND précise que si plusieurs cases ont la même énergie (sous-couche) les électrons se placent avec le spin maximal

1er 2nd ou

De même pour 3 électrons : De même pour 3 électrons :

S=1S=1

S=1,5 S=1,5 ouou

ouou

Règles de construction des configurations

(23)

H 1e

H 1e^-^-  1s 1s¹¹ He 2e

He 2e^-^-  1s 1s²² Li 3e

Li 3e^-^-  1s 1s²² 2s 2s¹¹ B 5e

B 5e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p¹¹ Be 4e

Be 4e^-^-  1s 1s²² 2s 2s²² C 6e

C 6e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p²² N 7e

N 7e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p³³ O 8e

O 8e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p⁴⁴ F 9e

F 9e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p⁵⁵ Ne 10e

Ne 10e^-^-  1s 1s²²2s2s²²2p2p⁶⁶

Couche Couche

KK n=1n=1 Couche Couche

LL n=2n=2

1s 2s 4s 3p 3s 2p

Le Tableau périodique Le Tableau périodique

Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments

 On empile les électrons de l’atome en respectant les règles

Le tableau périodique

(24)

Le Tableau périodique Le Tableau périodique

Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments

 On empile les électrons de l’atome en respectant les règles

H 1e

H 1e^-^-  1s 1s¹¹ He 2e

He 2e^-^-  1s 1s²² Li 3e

Li 3e^-^-  He 2s He 2s¹¹ B 5e

B 5e^-^-  He He2s2s²²2p2p¹¹ Be 4e

Be 4e^-^-  He 2s He 2s²² C 6e

C 6e^-^-  He 2s He 2s²²2p2p²² N 7e

N 7e^-^-  He He2s2s²²2p2p³³ O 8e

O 8e^-^-  He He2s2s²²2p2p⁴⁴ F 9e

F 9e^-^-  He 2s He 2s²²2p2p⁵⁵ Ne 10e

Ne 10e^-^-  He 2s He 2s²²2p2p⁶⁶

Couche Couche

KK n=1n=1 Couche Couche

LL n=2n=2

1s 2s 4s 3p 3s 2p

Règles d’empillement des atomes

(25)

Le Tableau périodique Le Tableau périodique

Ensuite pour la couche M:

Na 11e

Na 11e^-^-  Ne 3s Ne 3s¹¹ Al 13e

Al 13e^-^-  Ne Ne3s3s²²3p3p¹¹ Mg 12e

Mg 12e^-^-  Ne 3s Ne 3s²² Si 14e

Si 14e^-^-  Ne 3s Ne 3s²²3p3p²² P 15e

P 15e^-^-  Ne Ne3s3s²²3p3p³³ S 16e

S 16e^-^-  Ne Ne3s3s²²3p3p⁴⁴ Cl 17e

Cl 17e^-^-  Ne 3s Ne 3s²²3p3p⁵⁵ Ar 18e

Ar 18e^-^-  Ne 3s Ne 3s²²3p3p⁶⁶

1s 2s 4s 3p 3s 2p

Le tableau périodique (couche M)

(26)

Structure du Tableau Structure du Tableau

Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np 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

Structure du tableau

(27)

Structure du Tableau Structure du Tableau

Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np 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

Structure du tableau (fonctions)

(28)

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

5 6 7

Bloc s Bloc d Bloc p

(n-2) f Bloc f

Structure du Tableau Structure du Tableau

En termes de périodes - groupes et sous-groupes

Str. du tableau (places disponibles)

(29)

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

5 6 7

Bloc s Bloc d Bloc p

(n-2) f Bloc f

Structure du Tableau Structure du Tableau

En termes de périodes - groupes et sous-groupes

Structure du tableau

(30)

Structure du Tableau 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

Structure du tableau (élement)

(31)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Les métaux Les métaux

Les métaux

(32)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Les métaux et les non métaux Les métaux et les non métaux

Les métaux et les non-métaux

(33)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Structure du Tableau Structure du Tableau

L ’état physique des éléments:

Elément gazeux du tableau

(34)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Structure du Tableau Structure du Tableau

Elément liquide du tableau

(35)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Structure du Tableau Structure du Tableau

Elément solide du tableau

(36)

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le rayon atomique Le rayon atomique

- 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*2*rr(cov)(cov)

2*2*rr(vdw)(vdw)

Le rayon atomique

(37)

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le rayon atomique Le rayon atomique - Propriétés du

- Propriétés du rayon de covalence

0 0,05

0,1 0,15

0,2 0,25

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Rayon atomique

en nm

Z Li

F Na

Cl K

Br

Propriétés du rayon de covalence

(38)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le rayon atomique Le rayon atomique

-C’est une conséquence de l’

-C’est une conséquence de l’Effet d ’écran Z^*(+e) = Z(+e) -s - Les rayons ioniques - Par rapport à l’élément: Par rapport à l’élément:

Rayon des cations Rayon des anions

Variation du rayon de covalence

(39)

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le Potentiel d’ionisation et l’affinité électronique Le Potentiel d’ionisation et l’affinité électronique

- Le potentiel d ’ionisation - est l’énergie nécessaire pour arracher un électron à un atome..

- L ’affinité électronique est l’énergie qui se dégage lorsqu’un - électron est ajouté à l ’atome.

A A  A A⁺⁺ + e + e^-^-

EI EI

(eV)(eV) AA⁺⁺  A A²⁺²⁺ + e + e^-^-

EI’ EI’

(eV)(eV) ……

A + e

A + e^-^- A A^-^-

A A

_e_e(eV)(eV) AA^-^- + e + e^-^- A A^2-^2-

A A

_e_e

’ ’

(eV)(eV) ……

Potentiel d ’ionisation

(40)

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le Potentiel d’ionisation Le Potentiel d’ionisation

0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Z PI

He

Ne

Ar

Kr

Li Na

K B

O

Al

S

Ga

Se

Graphe du potentiel d’ionisation

(41)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Propriétés des éléments Propriétés des éléments

Le Potentiel d’ionisation Le Potentiel d’ionisation

Variation du pot. d ’ionisation au des atomes

(42)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

L’électronégativité L’électronégativité

Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes,

Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein au sein des molécules

des molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif

F = 4, corps le plus électronégatif

L ’électronégativité de Mulliken

(43)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

L’électronégativité L’électronégativité

Les métaux forts 0,7 < c ≤ 1,2 Les métaux faibles 1,5 ≤ c ≤ 2,0 Les non-métaux 2,1 ≤ c ≤ 4,0

L ’électronégativité de Mulliken

Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes,

Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein au sein des molécules

des molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif

F = 4, corps le plus électronégatif