Une vision moderne de lUne vision moderne de l ’ ’atomeatomeLL ’ ’ATOMISTIQUEATOMISTIQUE

(1)

Une vision moderne de l

Une vision moderne de l ’ ’ atome atome L L ’ ’ ATOMISTIQUE ATOMISTIQUE

Titre: l’atomistique

(2)

LumièLumière et Onde Electromagnre et Onde Electromagnétiqueétique

λ.ν = cλ.ν = c hh.ν = E.ν = 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

Le Spectre ElectroMagnElectroMagnéétiquetique

λ.ν = cλ.ν = c hh.ν.ν = E = E

5 10

9 10

11 10

13 10

17 10

Radio Micro Infra-Rouge.

lointain; proche

Ultra-Violet Rx Rγ

15 10

Visible

Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet 14 4,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7, 10

3km 30cm 3mm 0,03mm 300nm 3nm 3pm

ν

λ

La lumi

La lumière est ère est éémise ou absorbmise ou absorbééee

Le spectre électromagnétique

(4)

Les Spectres Atomiques Les Spectres Atomiques

λ.ν = cλ.ν = c hh.ν.ν = E = E

Les spectres atomiques

Collimateur Prisme

Film enregistreur

(5)

λ.ν = cλ.ν = c hh.ν.ν = E = E

Gaz chauffé Collimateur

Prisme

Film enregistreur

C’est un spectre d’émission

C’est un spectre d’absorption

Collimateur Prisme

Film enregistreur

H

(6)

λ.ν = cλ.ν = c hh.ν.ν = E = E

avecavec ν = R . c (1/n ν = R . c (1/n₁₁²² -1/n -1/n₂₂²²) où) où n 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 ν se produisent par quantités discrètes appelées

quanta quanta

d'énergie

h ν

^.

• 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= E= hhν ν etet p=h/ p=h/λλ

Une vision quantique des atomes

(8)

Le spectre des atomes Le spectre des atomes

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

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

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

Atome + Photon → Atome excité

Atome excité → Atome + Photon

- Quand un atome émet un rayonnement de fréquence ν, E=E* - hhνν

Bohr en a donn

Bohr en a donné é une premi une premi ère interpr è re interpr étation é tation

Elles constituent le

Spectre de l’ Spectre de l ’atome atome

{ν ν }

Le spectre des atomes

(9)

Le mod

Le modèèle de Bohr de l'atome d'hydrogle de Bohr de l'atome d'hydrogèneène

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_n

L ’atome d’hydrogène existe et est stable.

Moment angulaire : mvr = constant Hypoth

Hypothèèse de Bohr : mvr =n.(h/2se de Bohr π) où n=1, 2, 3…∞

p⁺ r

e^- v

Le modèle de Bohr et atome H₂

(10)

Le mod

1)

2)

3) en égalant

mv²

r = k e²

r² ⇒ mv² = k e²

r

Résolution du problème:

mvr = n h

2π ⇒ (mvr)² = ( n h

2π)² ⇒ mv² = n²

mr² ( h 2π)²

k e²

r = n²

mr² ( h 2π ⁾

2 ⇒ r = n²h²

4π²^me²^k ⁼ ⁿ

2.a₀

4) donc: ^v ⁼ ⁿ ^h

2πmr = 2πke nh

2

⇒ v = 1 n v₀

5) _E_n ₌ ^mv

2

2 + k −e²

r = −2π²me⁴k²

n²h² = −A n²

Le modèle de Bohr et atome H2

(11)

Le mod

En conclusion:

1) _r_n ₌ _n² _.a₀ ₌ _n².0, 5297.10⁻¹⁰ m

n=1, 2, 3, …∞

2) ^vn = 1

n v₀ = 1

n 2, 214.10⁶ m / s

3) E_n = −A

n² = −21, 757

n² 10⁻¹⁹ j

(12)

Le mod

Le modèèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogèneène

-A -A/4 -A/9 0 -A/25 -A/16

Energie n Etats

1 3

2 ∞

5 4

absorption émission

Fondamental Ionisé

Excités supérieurs

Premier excité

}

{ν ν }

(13)

Le mod

Le mod è è le ondulatoire le 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 Brogliede Broglie » »

λ=h/ λ =h/ mv mv

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

L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires.

C’est la

dualité dualit é onde / corpuscule onde / corpuscule

.

Le modèle ondulatoire

(14)

Le mod

Le mod è è le ondulatoire (suite) le ondulatoire (suite)

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

d'onde Ψ obtenue à partir de l’équation de Ψ SchrSchröödinger: H dinger: H Ψ =E Ψ =E ΨΨ - L’électron ne possède pas de trajectoire.

- Seule sa probabilité de présence Ψ- 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, m, s l , 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)

R R è è gles fixant les nombres quantiques gles 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

Le spin de l ’électron s ’é lectron s

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

la valeur -1/2, symbolisée par ↓

Règles fixant les nbres quantiques

(16)

Le mod

Le mod è è le ondulatoire le 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 Les é é tats de l tats de l ’ ’ hydrog hydrog è è ne ne

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

La forme des é é tats tats « « s s » » et et « « p 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

La forme des é é tats tats « « d d » »

La forme des états « d »

(20)

Mod Mod è è le en couches et configuration des atomes le en couches et configuration des atomes

précise l'organisation des électrons dans les atomes, c.à.d. leur configuration électronique

Principe d ’’éédification (dification (AufbauAufbau))

 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:

R R è è gles de construction des configurations gles de construction des configurations

Principe d ’’éédification (dification (AufbauAufbau))

 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 mDe mêême pour 3 me pour 3 électrons :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

He 2e2e^-^- → 1s→ 1s²² Li 3e

Li 3e^-^- → 1s→ 1s²² 2s2s¹¹

B B 5e 5e^-^- → 1s→ 1s²²2s2s²²2p2p¹¹ Be

Be 4e4e^-^- → 1s→ 1s²² 2s2s²²

C C 6e 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 p

Le Tableau p é é riodique riodique

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 p

Le Tableau p é é riodique riodique

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

He 2e2e^-^- → 1s→ 1s²² Li 3e

Li 3e^-^- → → HeHe 2s2s¹¹

B B 5e 5e^-^- → → HeHe2s2s²²2p2p¹¹ Be

Be 4e4e^-^- → → HeHe 2s2s²²

C C 6e 6e^-^- → → HeHe 2s2s²²2p2p²² N 7e

N 7e^-^- → → HeHe2s2s²²2p2p³³ O 8e

O 8e^-^- → → HeHe2s2s²²2p2p⁴⁴ F 9e

F 9e^-^- → → HeHe 2s2s²²2p2p⁵⁵ Ne 10e

Ne 10e^-^- → → HeHe 2s2s²²2p2p⁶⁶

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 p

Le Tableau p é é riodique riodique

Ensuite pour la couche M:

Na 11e

Na 11e^-^- → Ne→ Ne 3s3s¹¹ Al 13e

Al 13e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p¹¹ Mg 12e

Mg 12e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²² Si 14e

Si 14e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p²² P 15e

P 15e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p³³ S 16e

S 16e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p⁴⁴ Cl 17e

Cl 17e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p⁵⁵ Ar

Ar 18e18e^-^- → Ne→ Ne 3s3s²²3p3p⁶⁶

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; npns; (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; npns; (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

Structure du tableau (élement)

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

(31)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Les m

Les m é é taux taux

Les métaux

(32)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

Les m

Les m é é taux et les non m taux et les non m é é taux taux

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)

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

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((covcov))

2*2*rr((vdwvdw))

Le rayon atomique

(37)

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

Le rayon atomique Le rayon atomique - Propri

- Propriéététés du s 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*

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

Le rayon atomique Le rayon atomique

-C-C’’est une consest une conséquence de léquence de l’Effet d ’écran’ Z^*(+e) = Z(+e) -σ - Les rayons ioniques - Par rapport Par rapport àà l l’él’éléément:ment:

Rayon des cations Rayon des anions

Variation du rayon de covalence

(39)

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

Le Potentiel d

Le Potentiel d’ionisation et l’ionisation et l’’affinitaffinitéé éélectroniquelectronique

- 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

((eVeV)) AA⁺⁺ → A→ A²⁺²⁺ + e + e^-^-

EI EI ’ ’

((eVeV)) ……

A A + e+ e^-^-→ A→ A^-^-

A A

_e_e((eVeV)) AA^-^- + e+ e^-^-→→ A A^2-^2-

A A

_e_e

’ ’

((eVeV)) ……

Potentiel d ’ionisation

(40)

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

Le Potentiel d

Le Potentiel d’ionisation’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*

Propri

Propri é é t t é é s des s des é é l l é é ments ments

Le Potentiel d

Le Potentiel d’ionisation’ionisation

Variation du pot. d ’ionisation au des atomes

(42)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

L L ’é ’é lectron lectron é é gativit gativit é é

DDééfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au seinfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des mol

des moléécules, cules, àà attirer vers soi les attirer vers soi les éélectronslectrons F = 4, corps le plus

F = 4, corps le plus électronélectronéégatifgatif

L ’électronégativité de Mulliken

(43)

H He

Li Be B C N 0 F Ne

Fr Ru Ac*

L L ’é ’é lectron lectron é é gativit gativit é é

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

L ’électronégativité de Mulliken

DDééfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au seinfinie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des mol

des moléécules, cules, àà attirer vers soi les attirer vers soi les éélectronslectrons F = 4, corps le plus

F = 4, corps le plus électronélectronéégatifgatif