Semestre 1Module 3 : Atomistique

Année 2020-2021 Département de Chimie

Filière SMPC Semestre 1

Module 3 : Atomistique

Professeurs:

Fouzia CHERKAOUI EL MOURSLI Khadija MARAKCHI

Khadija NABIH Saloua SEBBAHI

Le but de ce cours est de connaitre la structure de

l’atome pour pouvoir comprendre la liaison

entre les atomes

CHAPITRE I : CONNAISSANCES DE BASE

Plan du Cours

CHAPITRE II : LE MODÈLE QUANTIQUE DE L’ATOME : MODÈLE DE BOHR

CHAPITRE III : LE MODÈLE ONDULATOIRE DE L’ATOME : NOTIONS DE MÉCANIQUE

QUANTIQUE

CHAPITRE IV : CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS

CONNAISSANCES DE BASE

CHAPITRE I

 118 atomes ou éléments ont été découverts et chacun d'eux est désigné par son nom et

son symbole.

 Exemple : Carbone : C ; Oxygène : O

Chlore : Cl ; Magnesium : Mg Sodium : Na (

)

 La matière est formée à partir de grains

élémentaires: les atomes

 L'atome n'existe pas souvent à l'état libre, il s'associe avec d'autres pour former des molécules.



Il existe des molécules :

- monoatomiques (un seul atome) : gaz rares ; He, Ne, Ar,…

- diatomiques (deux atomes) : H₂, O₂, NaCl,…

- polyatomiques (plusieurs atomes) : H₂O, H₂SO₄,…



90 éléments existent à l’état naturel



Les physiciens parviennent à synthétiser des atomes de plus en plus lourds.

Ces différents atomes sont rassemblés dans

un tableau périodique des éléments, également

appelé tableau de MENDELEÏEV et comporte

118 atomes ou éléments.

 Avec ces trois particules, on peut construire tous les éléments qui existent

 Leur découverte se situe entre 1875 et 1910

I – Les principaux constituants de l’atome :

les électrons les protons les neutrons

 Les atomes diffèrent par leurs structures et leurs masses, et sont eux même fragmentés en petites particules

 Mise en évidence par Joseph THOMSON en 1895 (Prix Nobel 1906)

Les électrons : symbole e-

 Détermination de la valeur de la charge des électrons par Robert MILLIKAN (Prix Nobel 1923)

 C’est la plus petite charge électrique qui puisse exister.

 la valeur absolue de la charge de l’électron est la charge-unité. On la désigne par e

Découverte de l’électron

-Sous l’effet d’une tension électrique très élevée (40000 V), appliquée entre les deux parties internes d’un tube à décharge, un faisceau est émis de la cathode appelé rayons cathodiques et recueilli par l’anode.

Propriétés des rayons cathodiques :

 - Ils se propagent de façon rectiligne et perpendiculaire à la cathode.

 - Ils sont constitués de particules qui transportent de l'énergie.

 - Ils sont déviés par un champs électrique vers le pôle positif, ce qui indique que les particules constituant ces rayons sont chargées

négativement.

En 1891

Stoney a donné le nom d'électron pour les particules constituant

les rayons cathodiques.

Ce sont des particules chargées négativement

La charge est : q_e = -1,602.10^-19Coulomb (C) La masse est : m_e = 9,108.10^-31kg

Cette masse est très faible. Elle est 1840 fois plus petite que celle du plus léger des atomes, celui de l’hydrogène

Caractéristiques de l’électron

Découverte des protons et des neutrons

Si l’atome (électriquement neutre) comporte des électrons, particules négatives et très légères ,

d’où vient sa neutralité ? ^et où réside donc la masse de l’atome ^?

Les protons (symbole p

) et les neutrons

(Symbole n) : les nucléons

Rutherford constate que la majorité des particules passe à travers la feuille sans être déviée, sauf certaines particules qui sont

violemment déviées et qui retournent du côté de la source.

Expérience de RUTHERFORD (1871-1937) Prix Nobel 1908

Elle consistait à envoyer sur une feuille d'or, d'épaisseur voisine du micromètre, un faisceau de particules alpha (He²⁺)

Source (He²⁺)

Feuille d’or

Ecran fluorescent

D

:

 L' atome est essentiellement constitué de vide: d'où le fort taux de passage des

particules alpha à travers la feuille d' or sans être déviées.

 L' atome, électriquement neutre, est

constitué: d'une partie chargée positivement

(qui repousse les particules alpha).

Ainsi, dans l' atome, il y a un "noyau" positif, tout petit, autour duquel gravite un nuage

négatif constitué d'électrons.

Feuille d’or Source (He²⁺)

 Les protons sont des particules chargées positivement

 de charge q_p = 1,602.10^-19 C

 de masse m_p = 1,673.10^-27 kg

 Les neutrons sont des particules neutres

 de charge q_n = 0

 de masse m_n = 1,675.10^-27 kg

Remarque : La masse des électrons (m_e=9,108.10^-31 kg) est négligeable par rapport à celles des protons et des neutrons.

Caractéristiques des protons et des neutrons

M_p+/m_e- = 1833 C'est-à-dire 1833 plus faible que le proton

L’atome possède une partie centrale appelée noyau autour de laquelle gravite un cortège d’électrons.

Le noyau est constitué de nucléons (protons et neutrons)

II – Structure de l’atome : modèle de Rutherford

L’atome possède une neutralité électrique

Nombre d’électrons = Nombre de protons (Z)

Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons, dans ce cas il deviendra un ion (cation ou anion).

q A

Z X

X : atome

A : nombre de masse

Z : nombre de protons ou numéro atomique

q : charge

(nombre de protons –nombre d’électrons)

II-1- Représentation de l’atome

A= nombre de protons Z + nombre de neutrons N

Exercice : Quel est le nombre de protons, de neutrons et d’électrons présents dans chacun des atomes ou ions

suivants :

Mg Se

F ²⁴₁₂ ^{2 79}₃₄ ^2

19

9 ; ;

 A : nombre de masse = nombre de protons + nombre de neutrons

 Z : numéro atomique ou nombre de protons

 q : nombre de charge = nombre de protons – nombre d’électrons

19 9 10 9 0

19F

9

24 12 12 10 +2

Exercice : Quel est le nombre de protons, de neutrons et d’électrons présents dans chacun des atomes ou ions

suivants :

Mg Se

F ²⁴₁₂ ^{2 79}₃₄ ^2

19

9 ; ;

79 34 45 36 -2

Se^2

79 34

Mg^2

24 12

Elément nombre de masse

Proton neutron électrons Charge

 Les isotopes sont des atomes de même numéro atomique Z et de nombre de masse A différent.

 Un élément peut avoir un ou plusieurs isotopes

II-2- Notions d’isotopie

Exemples d’isotopes

Cl Cl

35 17

H H

H

1 1

C C

C

12 6

Certains isotopes naturels sont stables, d’autres sont radioactifs avec diverses applications ex. Médecine

II-3- Unité de masse atomique (uma)

L’unité de masse atomique (uma) est définie comme le 1/12ème de la masse de l’atome de carbone ¹²C.

Détermination de la masse d’un atome de carbone 12

Par convention, la masse de l’atome-gramme de l’isotope ¹²C est fixée à 12 g exactement.

1atome-gramme ou mole d’atomes contient N atomes élémentaires N est le nombre d’’Avogadro ; N = 6,023.10²³ Donc la masse d’un atome de ¹²C = 12 g / N

N N

1 12

) 1 ( 12

1  g 

uma

1 u.m.a = (masse d’un atome de

C) /12

Masses des particules élémentaires en uma :

Proton : 1,0073 uma

Neutron : 1,00866 uma

Electron : 0,00055 uma

1 uma = 1,6605654.10

g

Avec

m_i : la masse atomique de l’isotope i et x_i : son abondance exprimée en %

La masse atomique (Cl) = 35,45 uma La masse atomique (Cl) = 35,45 uma

 Les masses atomiques des éléments chimiques sont exprimés en uma

 La masse atomique et la masse molaire ont la même valeur

 L’unité de la masse atomique est l’uma et l’unité de la masse molaire est le gramme

La masse atomique (m) d’un élément chimique naturel est la moyenne des masses atomiques (m_i) de ses isotopes :

La masse molaire (Cl) = 35,45 g

452 ,

35 )

246 ,

0 96

. 36 ( )

754 ,

0 96

, 34

(    

 m

Exemple

m =  (x_i × m_i) uma

%) 4 , 75 , 96

, 34

35 (

17Cl uma ₁₇^{37Cl (36,96uma, 24,6%)}

La masse d’un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le constituent.

II-4- Défaut de masse

Ce défaut de masse (Dm) est transformé en énergie (DE) libérée au cours de la réaction :

Protons + neutrons  Noyau + DE DE = Dmc² (relation d’Einstein)

Avec :

 Dm : défaut de masse en Kg

 c : vitesse de la lumière : 3.10⁸ m/s

 DE : énergie de cohésion en Joules.

1 eV  1,6 . 10^-19 Joules

Radioactivité et

réactions nucléaires

Lorsqu’un noyau est instable, il subit une

transformation spontanée conduisant à la formation d’un nouveau noyau .

Ce phénomène porte le nom de radioactivité

A

X

Z

A

Y

Z '

'

A

X

Z ^A_Z^'_'

Y

I – DÉFINITION DE LA RADIOACTIVITÉ

Cette transformation radioactive s’accompagne de l’émission de particules et de rayonnements électromagnétiques

Un nucléide est un type d’atome (ou de noyau atomique)

caractérisé par le nombre de protons et de neutrons qu'il contient.

est appelé le noyau père ; est appelé le noyau fils.

La radioactivité d’un corps peut être détectée par des compteurs Geiger.

Elle se mesure en becquerels (Bq)

1 Bq = une désintégration par seconde.

On utilise aussi le curie (Ci) comme unité de radioactivité :

1 Bq= 27x 10

Curies

1 Ci = 3,7 x 10

Bq

La courbe de stabilité des nucléides indique l’emplacement approximatif des isotopes stables ou radioactifs et fournit le type

d'émission radioactive.

1- Courbe de stabilité

II – TYPE DE RADIOACTIVITÉ

Z N

Ligne de stabilité

Courbe de stabilité des nucléides

N=Z

Courbe dont les axes sont en abscisse : le nombre de protons Z et en ordonnée : le nombre de neutrons N = A - Z

Diagramme des nucléides stables et radioactifs appelé Diagramme (Z,N)

On obtient une répartition des noyaux stables le long d'une ligne qui s'écarte de la bissectrice (N=Z)

Z N

Ligne de stabilité

N=Z

les noyaux stables entourent la courbe de prés alors que les noyaux instables

(noyaux radioactifs, radionucléides) s’en écartent d’avantage.

Les noyaux radioactifs ont tendance à se rapprocher de la courbe de stabilité par l’émission de

rayonnements radioactifs énergétiques.

N=Z

Courbe de stabilité des nucléides

«30

Z N

Ligne de stabilité

excès de neutrons noyaux radioactifs β-

excès de protons

noyaux radioactifs β+

excès de nucléons

«Noyaux instables de grande masse dits noyaux

lourds »

noyaux radioactifs

α

80

120

30

Courbe de stabilité des nucléides

N=Z

Les noyaux placés au-dessus de la zone de stabilité possèdent un excès de neutrons ; ils s'en rapprocheront par émission du rayonnement b^-.

Les noyaux placés au-dessous de la zone de stabilité possèdent un excès de protons ; ils s'en rapprocheront par émission du rayonnement b.

2- LOIS DE CONSERVATION : LOIS DE SODDY

Une réaction nucléaire et en particulier une désintégration radioactive, obéit aux lois de conservations suivantes:

- Conservation de la charge électrique. : Z = Z’ + z -Conservation du nombre total de nucléons A = A’ + a - Conservation de l’énergie.

particule fils

noyau père

noyau

p Y

X

A

Z





3-TYPES DE RAYONNEMENTS RADIOACTIFS

La radioactivité se manifeste par 3 sortes de rayonnements :

a) Les particules α (alpha) b) Les particules b (bêta)

c) Les particules g (gamma)

Exemple : L’uranium 238 est émetteur de particule α :

b) Les particules a (alpha)

LOIS DE SODDY : 238 = 234 + 4 & 92 = 90 + 2

He Y

X

A Z

4 2 4

2

* 



He Th

U

238

92

 

b) Les particules β (bêta)

- Les particules β^- qui sont des électrons

Exemple : le carbone 14 est émetteur β^- :

Remarque : Il n'y a pas d'électron dans le noyau, mais le noyau peut en émettre en transformant un neutron

excédentaire en un électron et un proton suivant le bilan Cette radioactivité se manifeste lorsque le noyau d’un atome possède un excès de neutrons.

e Y

X

A Z

0 1

1

*







e N

C

14

6

 

e H

n

1

0

 

Cette radioactivité se manifeste lorsque le noyau d’un atome possède trop de

protons.

Exemple : l’oxygène 14 est émetteur β

: -Les particules β

qui sont des positrons ou positons (antiparticules de l’électron)

e Y

X

A Z

0 1

1

*







e N

O

14

8

 

* Le positron est une particule de masse égale à celle de l'électron mais de charge opposée.

* Un positron n'existe pas dans le noyau et ne peut provenir que de la transformation d'un nucléon (proton)

Les particules β

ont une durée de vie très courte.

La réaction avec un électron donne de l'énergie sous forme d'un rayonnement électromagnétique g

suivant le bilan:

e n

H

1

1

 

g





₁⁰

e

n

Les particules β

sont plus pénétrantes et donc plus dangereuses pour la peau

La radioactivité β

se produit avec des nucléides obtenus artificiellement au laboratoire. C'est

pourquoi on la qualifie de radioactivité artificielle

Le rayonnement électromagnétique est constitué de photons (

nature que les rayons X, les UV, les radiations lumineuses, mais de plus forte énergie

).

Le noyau fils, le plus souvent dans un état instable, libère son excédant d’énergie sous

forme de rayonnement γ

c) Le rayonnement g (gamma)

stable Etat

excité Etat

t rayonnemen fils

Noyau fils

Noyau

Y

Y ^A_Z

A

Z *  ^'_'  ₀⁰g

L’ équation suivante

*

* Le second par ceux des particules formées.

Ecriture d’une réaction nucléaire (*)

peut s’écrire

H O

He

N

14

7

  

O p

N

14

7

( a , )

1- Décroissance exponentielle.

Le but est de déterminer l’évolution statique au cours du temps du nombre de radionucléides d’un même type contenu dans un échantillon

Le nombre de noyaux radioactifs N (t) présents à la date t dans un échantillon est donné par la loi de

décroissance radioactive

III- LOI DE DÉCROISSANCE RADIOACTIVE

N₀ nombre de noyaux radioactifs initialement présents.

λ est la constante radioactive

e

N t

N ( ) 

Chaque nucléide radioactif est caractérisé par une constante radioactive λ (en s^–1), qui est la probabilité de désintégration d’un noyau par unité de temps.

La constante λ ne dépend que du nucléide. Elle est indépendante du temps, des conditions physiques et chimiques.

L'inverse de la constante radioactive est homogène à une durée

t

t   ¹

2- DEMI-VIE D’UN RADIOÉLÉMENT

Pour un type de noyaux radioactifs, la période T ou la demi-vie t

est la durée au bout de laquelle la

moitié des noyaux radioactifs initialement présents dans l’échantillon se sont désintégrés

2 / 1

0 0

2 /

1

) 2

( N N e

t

N  

T t



2 2 .

2 /

1

Ln Ln

t t

 ^



3-ACTIVITÉ D'UNE SOURCE RADIOACTIVE.

L'activité A (en becquerels) d'une source

radioactive est définie par le nombre moyen de désintégrations par seconde qui se produisent dans l'échantillon

t N N t

A N

  . D

 D D 



t

 . N A

e

A

e

A  



Lorsque le noyau d'un atome lourd (comme l'uranium 235) fissionne (ou se fragmente) en deux noyaux plus petits, il se produit un

évènement remarquable : l'addition des masses des deux noyaux résiduels est inférieure à la masse du gros noyau d'origine.

1-La fission nucléaire

IV – FISSION ET FUSION NUCLÉAIRE

Un neutron lent peut s’introduire dans un noyau d’uranium 235 et y rester. Le noyau excité se scinde en deux fragments suivant une multitude de possibilités dont l'une est :

Les neutrons sortants de cette réaction sont des neutrons rapides et peuvent donner lieu à d’autres fissions nucléaires.

Lorsqu’on est en présence d’un nombre de noyaux ²³⁵U assez important, les 2 ou 3 neutrons libérés dans la réaction précédente peuvent donner lieu à 2 ou 3 nouvelles fissions de ²³⁵U et ainsi de suite. Il s’ensuit une réaction en chaîne où le nombre de fissions augmente rapidement en fonction du temps

n Xe

Sr U

n

1

0

    3

-Si cette réaction est contrôlée dans une centrale

nucléaire, elle produit de l'énergie qui actionnera une turbine électrique.

-Si cette réaction n'est pas contrôlée et s'emballe, elle produit une explosion de type bombe A (testée à

Hiroshima).

C'est en gros l'inverse de la fission.

Deux noyaux légers d'atomes (comme l'hydrogène) se percutent et fusionnent en un noyau plus gros.

la masse finale de ce gros noyau est plus petite que la somme des masses des deux noyaux initiaux.

d'où un énorme dégagement d'énergie produit par cette différence de masse annihilée

2-La fusion nucléaire

-L’énergie solaire a pour origine la fusion de

l’hydrogène (4 noyaux d’hydrogène) selon le cycle de Bethe dont le bilan est :

-Dans les réacteurs de fusion thermonucléaires, la réaction est la suivante :

Cette réaction non contrôlée est utilisée dans la bombe à hydrogène ou bombe H.

 2 2

4

H 

H 

e 

n H

H

H

2

1

  

) (

:

; )

(

:

2

1

H deutérium noté D H tritium noté T

La radioactivité naturelle est celle qui existe naturellement dans la nature.

330 isotopes naturels, 270 environ sont stables, les autres se désintègrent spontanément. Il s’agit de la radioactivité naturelle.

Z> 83 les isotopes naturels sont radioactifs

Z< 83 Il existe au moins par élément un isotope stable

(sauf le téchnetium (Tc,Z=43) et le prométhium (Pm,Z=61)

V- LA RADIOACTIVITÉ NATURELLE

Quand le rapport (A-Z)/Z) ≥ 1,5, on peut prévoir que l’élément manifestera une radioactivité naturelle.

- Les noyaux radioactifs sont présents depuis la formation de l’Univers :

L’uranium 238 (t

= 4,5 x 10

ans), Le potassium 40 (t

= 1,35 x 10

ans),

L'uranium 235 (t

= 7,04 x 10

ans),

Leur durée de demi-vie est très longue par rapport à l’âge de la terre (4,5 milliards d’années).

On les trouve encore de nos jours.

Les radionucléides de durée de demi-vie courte

Ce sont les noyaux fils des noyaux précédents : - Le radium 226 : t _1/2 =1622 ans ,

- Le radon 222 : t _1/2 = 3,82 j

- Le plomb 214 : t _1/2 = 3,05 min.

Les radionucléides formés par impact :

impact d’un noyau stable avec une particule cosmique ou issue de la désintégration

Le carbone 14 est radioactif

sa durée de demi-vie : t _1/2 = 5568 ± 30 ans

H C

N

n

1

0

  

On parle de radioactivité artificielle quand il s'agit d'éléments fabriqués par l'homme. Les atomes très lourds (numéro atomique Z élevé) sont très instables et ont donc une durée de vie très courte.

VI - LA RADIOACTIVITÉ ARTIFICIELLE

Expérience : Une feuille d’aluminium bombardée par

des particules alpha avec production phosphore 30 radioactif

Le phosphore 30 est émetteur

β

.

La radioactivité artificielle a été découverte en 1934 par Irène et Frédéric Joliot – Curie

n P

Al

He

4

2

  * 

g

 







30

15

P * Si e

La proportion de carbone 14 par rapport à l'isotope 12 abondant, de l'ordre de 10

.

Cette proportion est à peu près constante car le est régénéré dans l'atmosphère selon la réaction :

VII- APPLICATIONS: DATATION AU CARBONE 14 La datation au carbone 14 est fondée sur l’utilisation de la loi de décroissance radioactive de l’isotope ¹⁴₆

C

14

C

6

H C

N

n

1

0

  

Tous les organismes vivants échangent du CO₂ avec l’atmosphère (les tissus fixent l’élément carbone).

La proportion de carbone 14 dans les tissus est donc

identique à celle de l'atmosphère tant que l'organisme est en vie.

Equation de désintégration

H C

N

n

1

0

  

g





 N

e

C

14 6

A leur mort, les organismes cessent de fixer l’élément carbone et la quantité de carbone 14 non régénéré diminue selon la loi de décroissance radioactive.

La quantité de carbone 14 restant dans un échantillon est encore mesurable jusqu’à 50 000 ans environ

En mesurant à un instant t l’activité A(t) d’un

échantillon organique mort, de masse connue, on peut déterminer son âge.

 

 t A

Ln A t

A t Ln A e

A e

A _t ^t

0

0 0













 ^{ }

: 2 ;

2 /

1 Ln on trouve t

que sachant





0 2

/ 1

2 A

Ln A Ln

t  t