Chapitre 1. Structure de l’atome

Chapitre 1. Structure de l’atome Chimie Générale. Atomistique

SVT – S1

Pr. A. Aghmiz Septembre 2018

Département de Chimie

La matière

échelle

macroscopique volume, pression,…

échelle

microscopique:

composants élémentaires 10

m

divisibilité limitée

structure discontinue

(molécule comme structure de base):

• individualité physique

• mêmes propriétés de la substance

se divise en atomes écrits de Démocrite

400 ans avant J.C

«a-tomos», insécable en grec

Democrite

•Toute matière est faite d'atomes (indivisibles et indestructibles)

•Tous les atomes d'un élément donné sont identiques

•Les composés sont formés par une combinaison de deux ou plusieurs sortes d'atomes

•Les atomes ne peuvent ni être créés ni détruits

•Une réaction chimique résulte d'un réarrangement d'atomes

J. Dalton, 1805

Matière

•Hélium

•Oxygène

•Eau

•Méthane

Molécules

•He

•O₂

•H₂O

•CH₄

Atomes

•Hélium (He)

•Oxygène (O)

•Hydrogène (H) Oxygène (O)

•Carbone (C) Hydrogène (H)

Constituants élémentaires de l’atome

• Noyau

E. Rutherford, 1911

1913

• concentre la masse atomique

• chargé positivement

J. Chadwik, 1932

 Protons: q_p = e = 1.6 10^-19 C m_p = 1.673 10^-27 Kg

 neutrons: q_n = 0

m_n = 1.675 10^-27 Kg

nucléons

Constituants élémentaires de l’atome

• Electrons

J. J. Thomson, 1897

• très légères

• hautement chargées

J. Perrin, 1895

 Electrons: q_e = - e = - 1.6 10^-19 C m_e = 9.11 10^-31 Kg

(rayons cathodiques)

R. Millikan, 1909

e/m = 1.7588 10¹¹ C.Kg^-1

Constituants élémentaires de l’atome

Electron

Noyau

10^-10 m

 Protons: q_p = e = 1.6 10^-19 C m_p = 1.673 10^-27 Kg

 neutrons: q_n = 0

m_n = 1.675 10^-27 Kg

• Electrons: q_e = - e = - 1.6 10^-19 C m_e = 9.11 10^-31 Kg

• Noyau (nucléons):

Caractéristiques de l’atome

A X

Z

X: symbole de l’élément

A: nombre de masse = nombre de nucléons

Z: numéro atomique (nombre de charge) = nombres de protons N: nombre de neutrons = A - Z

Nombre de

masse A Nombre de

protons Z Nombre

d’électrons Nombre de neutrons

19 9 9 10

7 3 3 4

6 3 3 3

56 26 26 30

56 26 24 30

56

Fe

26

Fe

56 26

6

Li

3 7

Li

3 19

F

9 A

X

Z

• Symbole

Caractéristiques de l’atome

A X

Z

M(X) = Z x m_e + Z x m_p + N x m_n (Kg)

m_p = 1.673 10^-27 Kg m_n = 1.675 10^-27 Kg m_e = 9.11 10^-31 Kg m_p ~ m_n

m_e <<<< mp

M(X) = A x m_p (Kg)

• Masse atomique

1 u.m.a = 1.6605 10^-24 (g) = 1.6605 10^-27 (Kg)

• Mole et masse molaire:

 1 mole contient 6.023 10²³ entités (N_A = 6.023 10²³ : nbre d’Avogadro)

 La masse molaire = m (1 mole) (g/mol)

Caractéristiques de l’atome

A X

• Volume molaire

Z

Le volume molaire = V_m (1 mole) (L/mol)

 Pour les solides et liquides:

1 mole diffère en masse et en volume

 Pour les gaz:

1 mole possède des masses différentes et le même volume

Dans les conditions normales de température et de pression: T = 0 ˚C et P = 1.013 bar

V_m = 22.4 L mol^-1

Les isotopes

X ,

A

Z ^A’ _Z X

même nombre de protons (même numéro atomique Z)

nombre de neutrons différent (nombre de masse différent A ≠ A’)

deux isotopes de l’élément _ZX

Le carbone ₆C (Z=6): ¹²C (98,89 %); ¹³C(1,11 %); ¹⁴C instable (traces)

• Masse atomique moyenne:

M = ∑ M_i x P_i 100

i

M_i: masse de l’isotope i

P_i: pourcentage de l’isotope i

X

, …

A₂

X

,

Z ^A _Z ⁱ

X

La radioactivité

H. Becquerel, 1896

sulfate d’uranyle et de potassium K₂UO₂(SO₄)₂ radioactivité de l’uranium ₉₂U

M. Curie, 1898

radioactivité du polonium ₈₄Po et du radium ₈₈Ra

Emission de particules énergétiques et du rayonnement

La radioactivité

• Désintégration et désexcitation

transformation spontanée d’un noyau instable

émission de rayonnements (corpusculaire et électromagnétique)

Désintégration Désexcitation

A

X

Z

p +

A - Z

Z > 1.5

A’

Y

Z’

A’’

Z

Z’’

•La famille de l’uranium, A=4n+2

•La famille de l’actino-uranium, A=4n+3 (n entier)

•La famille du thorium, A=4n

A

X,

Z ^A’ Z’

Y, …,

Z

Famille radioactive

A’

Y*

Z’

g +

Y

p = a, b

, b

La radioactivité

• Désintégration et désexcitation

Rayonnement a b

b

g

Type d’émission

Noyaux d’hélium Electrons Positons radiation électromagnétique

de haute énergie

4 He

2 _-1 ⁰ e ₊₁ ⁰ e

A X

Z ⁴ ₂ He ^{+ A-4} _Z-2 Y X +

A

Z _-1 ⁰ e _Z+1 ^A Y

A X

Z ₊₁ ⁰ e + _Z-1 ^A Y

A Y*

Z g + ^A _Z Y

La radioactivité

• Cinétique de la désintégration radioactive

V = - = k X (dps, dpm) dX dt

- Vitesse radioactive

dps: désintégration/seconde dpm: désintégration/minute 1 Bq (Becquerel) = 1 dps 1 Ci (Curie) = 3.7 10⁷ Bq

X = X₀ e^-kt

X: nombre d’atomes restants a l’instant t

X₀: nombre d’atomes initial X: nombre d’atomes restants k: constante

La radioactivité

• Cinétique de la désintégration radioactive - Temps de demi-vie (période)

Ln(2)

t_1/2 = k

Applications

• Isotopes radioactifs en médecine

- Emploi thérapeutique: Traitement par action des rayonnements émis

131I (Iode) (émetteur b^- ) affections d’hyperthyroïdie certains cancers de la thyroïde

60Co (Cobalt) (émetteur g ) radiothérapie

- Emploi en imagerie: Suivie de l’assimilation d’un élément dans le corps

99mTc (Technétium) (émetteur g)

sous forme TcO₄Na marqueur de molécules biologiques

123I (Iode) (émetteur g ) imagerie

Applications

• Marquage isotopique

Remplacement d’un atome par un de ces isotopes (par synthèse)

suivi de la molécule marquée

18O (Oxygène) processus biochimique

13C (carbone) synthèse chimique

Applications

• Marquage isotopique

+

a

b

Applications

• Marquage isotopique

+

a

b

Applications

• Isotopes non radioactifs en résonnance magnétique nucléaire (RMN)

1H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁹F, ³¹P, ¹⁰³Rh

détectables en RMN Caractérisation des composés chimiques

IRM: Imagerie par résonnance magnétique

Applications

• Datation au ¹⁴C

14

N

7

+ n

0

1 ¹⁴

C

6

+

H

1

14

C

6

Tissus des plantes photosynthèse

Plantes Plantes et animaux vivants

[¹⁴C] est constante

0 ¹ n: neutrons des rayons cosmiques

14

C

6 ¹⁴

N

7

+

e

-1

v₀ = 15.3 dpm.g^-1 t_1/2 = 5760 ans t = - 1

k

X X₀

1 k

v v₀ avec, k = ln(2)

t_1/2

ln( ) ln( ) = -

Apres la mort [¹⁴C] diminue Désintégration

(émission b^-)