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Potentiels d’ionisation et énergies de formation des
molécules non-polaires - III.
Jean Savard
To cite this version:
POTENTIELS
D’IONISATION
ETÉNERGIES
DEFORMATION
DESMOLÉCULES
NON-POLAIRES. III
Par JEAN SAVARD.Laboratoire de
Physique
de l’Université de Louvain.Sommaire. 2014 L’auteur examine, du point de vue formaliste exposé dans les précédents mémoires (1),
un certain nombre de molécules dont les potentiels d’ionisation ne vérifient pas immédiatement la loi
qu’il a proposée, et se demande pour chacune s’il faut conclure : ou bien que la loi est en défaut; ou bien que le potentiel d’ionisation expérimental est encore erroné; ou bien que la liaison entre les atomes n’est
pas assurée par une même couche d’électrons. Il conclut à l’exactitude de son principe de
compensation,
car il a vérifié que
l’énergie
de répulsion s’exerçant entre les deux noyaux de la molécule H2 est bienégale à la différence des potentiels d’ionisation de l’ion
H+2
et de la molécule normale.Nous tenons à ne pas passer sous silence les don-nées
expérimentales
concernant lespotentiels
d’ioni-sation d’un certain nombre de moléculessimples
dont lesénergies
de formation àpartir
des atomes ne sont pas directement calculables au moyen de la formule que nous avonsproposée :
D= 2n.I,, - Y,
Il convient donc d’examiner si ces
potentiels
d’ioni-sation doiventêtre
considérés commeerronés,
si aucontraire notre formule doit être considérée comme en
défaut,
ou si la liaison entre les atomes doit alors être attribuée àplusieurs
couches d’électrons.Molécule
0~.
- Il est difficile de considérer commerésolu le
problème
de la déterminationexpérimentale
de sonpotentiel
d’ionisation.Après
avoir donné toute une série de résultats discordantscompris
entre12,5
et 16
V,
l’expérience
sembleaujourd’hui
montrer que la moléculed’oxygène
possède
deuxpotentiels
d’ioni-sation,
donnant tous deux naissance à un ion0+
stable,
et sans
qu’il
soitpossible
de dire que lepotentiel
leplus
élevé doivecorrespondre
à la formation d’un ion activé. Telles sont les conclusions de deux auteursspécialisés
dans cesquestions : Mackay (2)
et H. D.Smyth
(~).
Lepremier potentiel
serait de1~,6
V et le deuxième de16,1
V. Ce dernier chiffre est celuiauquel
Franck s’était arrêté dans son ouvrage :Anregung
vonQvantensprüngen
durch Stôsse.Ceci
posé,
on voit immédiatement que lepotentiel
de16,1
V définitexactement,
d’après
notreforma-lisme, l’énergie
de formation de la molécule normale àpartir
des atomes normaux, à condition de supposer que la liaison entre les deux atomes est assurée au moyen de deux électrons. Eneffet,
on a : -.en
parfait
accord avec les meilleures valeursspèctro-graphiques :
5,08
à5,09
V.L’oxygène
serait donc monovalent dans samolécule,
alors que nous l’avons trouvé divalent dans sescomposés.
Unoxygène
mono-valent dans sa molécule a souvent été admis par de nombreuxauteurs,
enparticulier
par Lon-don. Cette variation de la valence del’oxygène
peut
d’ailleurs êtrerapprochée
du faitqu’il
estparamagnétique
à l’étatlibre,
maistoujours
diamagnétique
dans sescompo-sés.
Mais si notre formalisme
explique parfaitement
le deuxièmepotentiel
del’oxygène,
reste-t-ilimpuissant
àexpliquer
lepremier,
voisin de12,6
selonMackay
(loc. cit.),
et de13,5
selon Kallmann et Rosen(1),
ainsi queStueckelberg
(5Y? L’expérience
ayant
montré que cepotentiel
étaitindépendant
de lapression,
il n’est donc paspermis
de supposer que la molécule0,
a été tout d’abord activée par un chocinoléculaire,
puis
ionisée par un chocélectronique,
avant d’avoir eu letemps
de repasser à l’état normal. L’atomed’oxygène
possédant
àl’état
normalquatre
électrons2])
aurait encore dans la molécule desélectrons
de valence libre. Peut-on alors supposerqu’elle
doive,
de mêmequ’un
radical tel queCH3
ouSO,
avoir unpremier potentiel
d’ionisation voi-sin de celui de l’atome?, Cepremier potentiel, qui
necor-respondrait
pas à un électron deliaison,
serait alors de13,56
V.Or,
lepremier
potentiel
estprobablement
voisin de12,9
ou 13 V au maximum. Cetteexplication
n’est donc pas satisfaisante.Quant
aupotentiel
de14,85
(ou
14,83)
V,
que nous avons calculéprécédemment
commecorrespondant
à unoxygène
divalent dans samolécule,
peut-il
s’iden-tifier avec l’un de ces nombreuxpotentiels
voisins de 15 mesurés par lespremiers
auteurs(6Y’?
Nous ne lepen-sons pas, car les
premières
mesures, encore trèsimpré-cises,
n’étaient vraisemblablement que des moyennes entre les deux valeurs extrêmes. Aussi ne considérons-nous cepotentiel
que comme un coefficient sanssigni-fication
physique
attribué à la moléculed’oxygène,
etpermettant
de calculer lesénergies
de formation sansqu’il
soit besoin de faire varier la valence de l’atomed’oxygène
dans sa molécule et dans sescomposés.
Nous pouvons
cependant
faire unehypothèse
sur la constitutionélectronique
de la moléculequi
explique-rait les deuxpotentiels
en accord avec notre forma-lisme. Eneffet,
Mulliken etHerzberg
attribuent à la molécule la constitutionélectronique
suivante :Supposons
que les électrons s soient de liaison avec unpotentiel équivalent égal
à16,1 V,
et que les284
trons
extérieurs p
soient d’antiliaison. Lepotentiel
équivalent
de ces derniers sera :=
(5,08
+
t~.13,~6 -
4.16,1).1/8
=1~,9~
V.Si le
premier potentiel
d’ionisation de02 doit,
commel’estime
Smyth
(loe. cit.),
êtrelégèrement
inférieur à13,
la concordance serait excellente entre la valeur calculée et la valeurexpérimentale.
L’ionisation de la
molécule,
pour12,92 V,
produira
donc ledépart
d’un électrond’antiliaison,
etl’énergie
de dissociation de l’ion0~
obtenu devra êtresupé-rieure de
13,56
-12,92
V à celle de la moléculenor-male,
c’est-à-direégale
à5,7
VI. Or laspectrographie
montre que la distance des noyaux estplus
faible dans l’ion normal que dans la molécule normale(1,15
aulieu de
1,21 Ã),
et détermineaujourd’hui
6,1
pourl’énergie
de dissociation de cet ion. L’accord n’est passatisfaisant,
mais les valeurs deD,
déterminées par laspectrographie,
leplus
souventapprochées
parexcès,
ont subi suffisamment de variations pourpermettre
laprise
en considération de notrehypothèse;
et nousproposerons
5,8
V pour D(0~-),
état normal Molécules HBr etBr2e
- Lepotentiel
d’ionisa-tion de l’atome de Br est encore mal connu, et lestables donnent sous réserves la valeur
1~,2
V. Lesmêmes tables donnent 8 pour le
potentiel
d’ionisation del’iode,
et dans un travail récent, Deb(°)
apro-posé
10,~ ~.
D’autrepart,
en raison de la facile disso-ciation de?IBr,
il est difficile de savoir si les mesuresdes
expérimentateurs
sont aussiprécises
quepour HCI.
Pour cette dernièremolécule,
la valeurexpérimentale
deMackay
(loc. cit.)
était,
àU,1
Vprès,
égale
à la valeur calculée par Bornd’après
la théorie des réseaux. PourHBr,
aucontraire,
siKnipping
(9)
trouve13,1
et13,25,
et
Mackay
13,2,
Born calcule13,5
V.II serait souhai-table que de nouvelles mesures viennent confirmer le chiffre deMackay
que nousadopterons cependant
pro-visoirement. On voit immédiatement que lepotentiel
12,2
proposé
pour l’atomeBr,
nepermet
pas decal-culer
l’énergie
de dissociation de HBrqui
est de3,73
V. Nouscalculons,
par notreformule,
quel
devrait être cepotentiel :
Supposant
que la valeur deMackay
pour I(HBr)
estexacte,
nous proposerons pourI(Br) :
12,38
V.L’énergie
de formation de la moléculeBrz
étant de1,96 V,
on calculera lapotentiel
d’ionisation de cettemolécule :
I (Br~)
= 12,38
+ 1/10.1,96
=i 2,6
V. La valeurexpérimentale
étant1~,8
(Knipping,
Ma-ckay),
l’accordexpérimental
est assez satisfaisant. Notre formalisme est doncgrossièrement
d’accord avec les ré-sultatsexpérimentaux,
et nousespérons
que des mesuresplus précises
rendront cette concordanceplus
étroite. Molécules HI etIz.
- Les donnéesexpérimentales
concernant ces molécules sont malheureusement encore
moins
précises.
Les anciennesexpériences
parbombar-dement
électronique
donnaient pour I(I)
des valeurs trèsfaibles,
voisines de 8. Nous avons vu que ce chiffreà
déjà
étéporté
par laspectrographie
à10,54
V. Ce ré-résultat est-il définitif ? Les mesuresportant
sur la molé-cule sont assez concordantes : 10(Mohler
(1°)),
9,4
(Fruth()),9,6(HognessetHarkness()).Maiscesmêmes
mesures concluaient à un
potentiel
d’ionisation atomi-que voisin de8,
valeuraujourd’hui
démentie par Deb(loc. cit.).
Le
potentiel
d’ionisation deHI,
déterminé parMackay
et parKnipping (loc. cit.),
soit12,7 V,
estpeut-être
notre moins mauvaise donnéeexpérimentale.
Apartir
de cepotentiel,
et deD (HI)
- 3V,
nous calculeronsi(l)
comme nous l’avons fait pourI(Br).
On trouve :1 (l)
=11,9
V.L’énergie
de dissociation de la moléculeétant
1,54 V,
on calcule aussitôt :7(1,) = 11,9
+ 1/10.1,54
==12,05
V.De nouvelles mesures et surtout la connaissance
cer-taine
de 1 (1)
seraient nécessaires pour conclure. Re-marquonssimplement
quel’expérience
atoujours
observé une formation simultanée des ions1+
etI+,
probablement
en raison d’une inévitable dissociationde /2’
Ce résultat est en accord avec notre conclusion que lepotentiel
d’ionisation de la molécule ne doit êtreque de
0,15
Vsupérieur
à celui de l’atome.Molécule
I120. -
La mesure dupotentiel
d’ionisa-tion de cette molécule a étéentreprise
par de nombreuxauteurs,
et elle ne semble pas encore résolue defaçon
satisfaisante. Lespremières
mesures fournirent des chiffres voisins de 13(Lozier
(13) :
13;
Barton et Bart-lett(14):
13).
La valeurproposée
parMackay
(loc. cit.) :
93,~
est considérée comme laplus
exacte par les tables de constantes.Mais, reprenant
cetteétude, Smyth et
Mueller(US)
ont montré récemment que la moléculeH20
possède
deuxpotentiels
d’ionisation,
donnant tous deux naissance à un ionH20+,
lepremier
pour12,7
±0,5 V,
et le deu-xièmepour i 6
±0,5
V. Si ces chiffres n’ontpeut-être
pas toute laprécision
désirable(Mulliken
(16)
propo-sant lui aussi
1;1,2
V pour lepremier potentiel),
l’exis-tence de deuxpotentiels
différents estcependant prévue
par Mulliken(loc. cit.),
et constatée parHenntng(17) qui
propose
12,4
et16,5
V comme valeurs extrêmes.Mulli-ken,
guidé
par ses intéressants travaux sur la constitu-tionélectronique
desmolécules, prévoit
un deuxièmepotentiel
voisin de 16.Le cas de la molécule
H~0
est donc semblable à celui de la molécule02.
Nousadopterons
13,2
V pour le pre-mierpotentiel,
car il semble que cette donnée soit laplus précise.
Les électronsqui présentent
cepotentiel
équivalent
sont donc des électrons d’anti liaison. Les électrons aupotentiel équivalent
voisin de 16 seront au contraire les électrons de liaison. Il est assez difficile ded’oxy-gène
a, dans la moléculeH20
comme dans la molécule02,
perdu
ses six électrons dontquatre
sont d’anti-liai-son et deux de liaison. Les deux atomesd’hydrogène
fourniront naturellement deux électrons deliaison;
etla molécule
H20
possédera
donc deux couchesd’élec-trons ;
l’une dequatre
électrons d’anti-liaison aupoten-tiel
équivalent
de13,2 V,
l’autre dequatre
électrons de liaison aupotentiel équivalent
voisin de 16.Calculons ce
potentiel
àpartir
del’énergie
de forma-tion de la molécule :9,26
V. On a :en bon accord avec
l’expérience,
et lesprévisions
de Mulliken.Les deux
potentiels
d’ionisation de la molécule d’eaupeuvent
doncs’interpréter
comme ceux de la moléculed’oxygène,
en admettant que l’atome de ce dernier a fourni dans les deux cas le même nombred’électrons de liaison et d’anti-liaison. Si dans le cas de la molécule
Os,
le nombre d’électrons d’anti-liaison coïncidait avec celui des électrons extérieurs p, il n’en est pas de même pour la moléculeH20,
tout au moinssi l’on admet la
configuration proposée
par Mulliken(~g),
c’est-à-dire(1
(2pa)2
(2pb)’ (~ pc)~.
Mais dupoint
de vueempirique
etpratique
qui
est lenôtre,
il nousparaît
commode au contraire que le nombre de cesélec-trons,
ouplus
exactement notre « coefficient o, soitdéterminé par la constitution
électronique
de l’atomed’oxygène.
Devons-nous considérer le
groupement
OH comme un radicalcomparable
à un radicalcarboné,
CH3
ou CN parexemple?
Cettesupposition
estsimpliste.
Elle tra-duitcependant,
enpremière approximation,
lesrésul-tats
expérimentaux
encoretrop imprécis
pourpermet-tre une discussion
approfondie
de laquestion.
Sidonc,
nous admettons que le radical OH
possède
unpremier
potentiel
d’ionisationégal
à celui de l’atomequi
pré-sente encore une valencelibre,
c’est-à-dire del’oxygène,
l’énergie
de la réaction de dissociationaccompagnée
d’ionisation :H20
= Il+
OH+ sera : D(H20 ==
OH
-~-H)
+
13,56
V.L’énergie
de liaison dupremier
atomed’hydrogène, quoique
encoreindécise,
étant très voi-sine de 5 V(Cf. Smyth
etMueller,
loc.cit. ;
Bonhoeffer et Reichardt(19))
la dissociationenvisagée
exigerait
18,6
V,
en assez bon accord avecl’expérience
deSmyth
et Mueller :~.8,9 ±
0,5
V.Nous retiendrons
simplement
de cette étude que les deuxpotentiels
d’ionisation de l’eaus’interprètent
suffisamment au moyen de notreformule,
et del’hypo-thèse des électrons de liaison et d’anti-liaison de Mulli-ken.
Molécules NO et
N02.-
Stueckelberg
etSmyth
(2°)
ont mesuré le
potentiel
d’ionisation de ~1V;
Mackay
(loc. cit.)
celui deNO :9,4
V.Ces deux
potentiels,
étant inférieurs à ceux desato-mes constituant les
molécules,
correspondront
à un ouplusieurs
électrons d’anti-liaison. Comme nous necon-naissons pas le deuxième
potentiel (électrons
deliai-son),
il nous estimpossible
de calculerl’énergie
de for-mation àpartir
des atomes.Mais nous pouvonsprévoir
quel’énergie
de dissociation de l’ionNO+,
parexem-ple,
serasupérieure
à celle de la moléculenormale,
la différence étant bienlm - la’
comme leprévoit
laspec-trographie.
Le
potentiel
d’ionisation de NO étant trèséloigné
de celui del’azote,
nous ne considérerons pas cette molé-cule comme un radical. Nous dironsqu’elle possède
deux couches d’électronséquivalents
dont laplus
exté-rieurecomprend
3+ 2 = 5
électrons. Eneffet,
nous pouvons, par cetteconsidération,
calculerl’énergie
de la réaction :NO +
0 =NÛ2.
On a : E =
7./(N02) -5.I(NO) -2.1(0)
=~,88 V,
en
remarquable
accord avec la valeur de F déduite de lathermodynamique
et del’énergie
de dissociation de la moléculed’oxygène :
2,93
V.Si donc les
potentiels
d’ionisation de NO et de ne définissent pas lesénergies
de formation de cesmo-lécules,
ils définissent par contre exactementl’énergie
de combinaison de NO et del’oxygène.
La molécule NO doit
présenter un
potentiel
d’ionisationplus
élevé,
correspondant
aux électrons de liaisons dont le nombre serait au maximum de six(quatre
pro-venant del’oxygène
et deux del’azote).
Ces électrons de liaison demeurentinchangés
dans la moléculeNÛ2,
puisque l’énergie
de la réaction ci-dessus a été exacte-ment calculée en ne faisant intervenir que les électrons d’anti-liaison.Dans cette
molécule,
onpourrait
donc admettrea)
que l’un desoxygènes
est relié àl’azote,
b)
que le deuxièmeoxygène
est relié simultanément à l’azote ainsiqu’au premier,
et cela sansqu’il
soitpossible
de définir uneénergie
de liaisonparticulière
parrapport
à l’un ou à l’autre de ces deux atomes. NO se seraitcomporté
tel unatome,
avec ses électrons intérieurs etses électrons de valence.
Molécule
N20. - Son
potentiel
d’ionisation,
mesuré parStueckelberg
etSmyth (loc. cit.)
est de12,9
V. Même remarque que ci-dessus. Mais on constatequ’il
n’est paspossible,
au moyen de cepotentiel
et descinq
électrons extérieurs de NO de calculerl’énergie
de la réaction : NO-~-
N = Lepotentiel
if,9
nepeut
donc être actuellementinterprété.
Nous croyonspouvoir
en conclure que la réaction ci-dessus modifieprofondément
oucomplètement
tout lesystème
électro-nique
de N0. Il semble que nous devons voir là une confirmation del’opinion
des chimistesqui prévoieut
la formation de NO par dissociation deN02
mais nonpar dissociation
thermique
directe deNa0.
Molécule
NH3. -
Sonpotentiel
d’ionisation,
biendéterminé,
est de11,1
V.(Mackay,
loc.cit., Bartlett 2’,
Waldie22).
Il nepeut,
d’après
nous,correspondre à
des électrons de liaison. Mulliken
(loc.
cit,)
admet que dansNH3
deux électrons2pG
sontplus
faiblementpoten-286
tiel d’ionisation de la molécule. Il
prévoit
en outre 15 V pour lepotentiel
d’ionisation des électrons2p1t.
Si deux électrons sontd’anti-liaison,
et 3+
3= 6 deliaison,
lepotentiel
de ces derniers seraitd’après
nous(on
sait quel’énergie
de formation deNN3
àpartir
des atomes est~1,3
V) :
d’où : ’
Si au
contraire,
nousn’envisageons
qu’un
seul élec-trond’anti-liaison,
on calcule x== 16,1.
Cette dernière
hypothèse
est difficile àconcevoir,
d’autant
plus
queNH3
possède
un nombrepair
d’élec-trons. Nous ne connaissons malheureusement pas le
degré
deprécision
aveclequel
Mullikenprévoit
t la valeur dupotentiel
d’ionisation des électrons2prc.
Mais remarquonsqu’un
potenfiel
d’ionisation de1 fi, 1
Va été observé par Grinfeld 23
(formation
primaire
de Cette mesure est considérée comme erronée par les tables de constantes.Toutefois,
il en était de même dupotentiel
18 observé pour l’eau par ce même auteur. Et lesexpériences
deSmyth
sont venues dé-montrerpostérieurement
que l’eaupossédait
bien un deuxièmepotentiel
plus
élevé que les valeurs voisines de13,
seules admisesprécédemment.
Molécule
znCl2.
--L’expérience
a montré que desmolécules telles que
IIgI2, HgCI2,
ZnCl2
donnent par bombardementélectronique
des ionsMX +2
et ne sont pas dissociées en ions M++ et X- comme le faisaitpré-voir la
représentation
ionique.
Cettereprésentation,
basée sur l’électroaffinité deshalogènes,
nousapparait
de
plus
enplus périmée,
tout au moins en cequi
con-cerne les molécules gazeuses. Lepotentiel
d’ionisation deZUCI,
a été mesuré par Foote et Mohler 24 : V. Nous ne savonsquelle
confiance il faut accorder à cettemesure ancienne.
Envisageons-la cependant
dupoint
de vue de notre formalisme.Adoptant
pourZnC12
lesymbole
(Zn++ 2 CI +:1 )-12,
nous calculons sonénergie
de formation à
partir
des atomes gazeux :D=12./(ZnCl2)2013 10./(C1) -2./(Zn)
= 6,5 V.
Comparons
ce résultat aux donnéesthermochi
miques.
Celles-ci varient entre6,35
et6,7
V suivant les valeursadoptées
pour la chaleur de sublimation deZnCI2.
L’accord est tout à fait satisfaisant, et nouspou-vons considérer que les trois atomes sont réunis par une couche d’électrons
équivalents.
Conclusion. - Il semble bien que la
règle
proposée
resteexacte,
même pour les moléculesayant
un faiblepotentiel
d’ionisation,
à condition de nel’appliquer
qu’à
une seule couche d’électrons. Dans le cas des molé-culessimples
dont les atomes sont reliés par une même et seule couched’électrons,
la formuleproposée
définitl’énergie
de formation de la molécule.Nous avions tout d’abord
pensé
que les molécules à faiblepotentiel
d’ionisation étaient les molécules à nombreimpair
d’électrons,
et nous avions fait toutes réservesquant
àl’application
de notrerègle
à cesmo-lécules. Mais il ressort du
présent
mémoire que les faiblespotentiels
d’ionisation se rencontrent aussi pourdes molécules à nombre
pair d’électrons,
telles que02
ou
H,O,
et que la notion d’électron d’anti-liaisonas-sociée à notre formule
générale
donne de cespotentiels
une
explication
plausible.
D’autre
part,
il est facile de vérifier l’exactitude de notre «principe
decompensation
» pour la moléculeH2.
Son
potentiel
d’ionisationexpérimental
(bombarde-ment
électronique)
est de15,7
Y. Celui de l’ionH+2
dont les noyaux sontséparés
par la rzêyze distance quedans la molécule normale est de
33,32 V,
soit19,62
V de différenca,Or,
l’énergie
derépulsion
s’exerçant
entre les deux noyaux de la moléculed’hydrogène
est,
calculée par la loi de Coulomb :99,6~
V.Nous sommes heureux de remercier ici tous ceux
qui
nous ont aidé de leurgénéreuse
hospitalité,
de leurscritiques
avisées et de leursconseils,
et enparticulier
les Professeurs
Hulthén,
0.Klein,
et deHemptinne.
Que
l’InternationalEducation
Board trouve icil’expres-sion de notre reconnaissance pour l’aide matérielle
qu’il
nous a accordée.Manuscrit reçu le 3 mai 1934.
BIBLIOGRAPHIE
(1) Journal de
Physique, 1933, p, 650, t. 4; 1934, p. 27, t. 5.(2) MACKAY, Phys. Rev., 1924, 24, p. 319.
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(21) BARTLETT,Phys.
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(23) GRINFELD,