Une vision moderne de l atome L ATOMISTIQUE Titre: latomistique

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

L ’ATOMISTIQUEL ’ATOMISTIQUE

Titre: l’atomistique

Lumière et Onde ElectromagnétiqueLumière 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

ChampElectrique

Direction duChamp rayon lumineuxMagnétique

Longueur d'onde

A

Le Spectre ElectroMagnétiqueLe 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

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

La lumière est émise ou absorbéeLa lumière est émise ou absorbée

Le spectre électromagnétique

Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques

= c= c hh = E = E

Les spectres atomiques

CollimateurPrisme

Film enregistreur

Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques

= c= c hh = E = E

Gaz chauffé

CollimateurPrisme

Filmenregistreur

C’est un spectre d’émission

Les spectres atomiques

C’est un spectre d’absorption

Film enregistreur

CollimateurPrisme

H

Les Spectres AtomiquesLes Spectres Atomiques

= c= c hh = E = E

avecavec = R . c (1/n = R . c (1/n1122 -1/n -1/n22

22) 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

CollimateurPrisme

Filmenregistreur

Lyman (UV)Balmer (visible)

Paschen (IR)Brackett

{ {

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

Les spectres atomiques

Une vision Une vision quantiquequantique 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 quantaquanta 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 photonsphotons

• 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

Le spectre des atomesLe 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 interprétationBohr en a donné une première interprétationElles constituent le Spectre de l’atomeSpectre de l’atome

{ }

Le spectre des atomes

Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogèneLe 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=En

L ’atome d’hydrogène existe et est stable.

Moment angulaire : mvr = constant

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

p+

r

e- v

Le modèle de Bohr et atome H2

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

1)

2)

3) en égalant

mv2

r=k

e2

r2 ⇒ mv

2=k

e2

r

Résolution du problème:

mvr =nh2

⇒ (mvr)2=(n

h2

)2⇒ mv

2=

n2

mr2 (

h2

)2

ke2

r=n2

mr2(h

2π)2 ⇒ r =

n2h2

4π2me2k=n2.a0

4) donc: v =nh

2mr=2kenh

2

⇒ v=1n

v0

5) En =mv

2

2+k

−e2

r=−2

2me

4k

2

n2h

2 =−A

n2

Le modèle de Bohr et atome H2

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

En conclusion:

1) rn =n2.a0 =n

2.0,5297.10

−10m

n=1, 2, 3, …2) vn =1n

v0 =1n2,214.10

6m/s

3) En =−A

n2 =

−21, 757

n2 10

−19j

Le modèle de Bohr et atome H2

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

absorption émission

Fondamental

Ionisé

Excités

supérieurs

Premier

excité

}

{ }

Le modèle de Bohr et atome H2

Le modèle ondulatoireLe 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 / corpusculedualité onde / corpuscule.

Le modèle ondulatoire

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.

nn 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, ll, m, s, m, s.

ll est le nombre quantique azimutal.

mm est le nombre quantique magnétique.

ss est le nombre quantique de spin. Il décrit une caractéristique intrinsèque de l’électron.

Le modèle ondulatoire(2)

Règles fixant les nombres quantiquesRègles fixant les nombres quantiques

Le nombre quantique principal nLe 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, fIls constituent des « sous-couches » au nombre de nn=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 sLe 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

Le modèle ondulatoireLe 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 (2px, 2py , 2pz), 4d, 5f, …

Les états de l ’hydrogèneLes états de l ’hydrogène

Les états de l’H2

nSymbole del’orbitale

Energie Nombre Au total

1 1s E1=-A 1 12 2s E2=-A/4 1 4

2px E2 32py E2

2pz E2

3 3s E3=-A/9 1 93px E3 33py E3

3pz E3

3dxy E3 53dyz E3

3dxz E3

3dx2-y2 E3

3dz2 E3

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

1s1s 2s2s

2p2pzz 2p2pxx 2p2pyy

La forme des états S et P

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

La forme des états « d »

Modèle en couches et configuration des atomesModèle 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 nn constitue une couche électronique (1K; 2L; 3M; 4N; 5O; 6P)

- 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

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

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

Règles de construction des configurationsRègles 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=1,5S=1,5

ouououou

Règles de construction des configurations

H 1eH 1e-- 1s 1s11

He 2eHe 2e-- 1s 1s22

Li 3eLi 3e-- 1s 1s22 2s 2s11

B 5eB 5e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p11

Be 4eBe 4e-- 1s 1s22 2s 2s22

C 6eC 6e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p22

N 7eN 7e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p33

O 8eO 8e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p44

F 9eF 9e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p55

Ne 10eNe 10e-- 1s 1s2 2 2s2s2 2 2p2p66

CoucheCoucheKK

n=1n=1

CoucheCoucheLL

n=2n=2

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Le Tableau périodiqueLe 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

Le Tableau périodiqueLe Tableau périodique

Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de l’atome en respectant les règles

H 1eH 1e-- 1s 1s11

He 2eHe 2e-- 1s 1s22

Li 3eLi 3e-- He 2s He 2s11

B 5eB 5e-- He He 2s2s2 2 2p2p11

Be 4eBe 4e-- He 2s He 2s22

C 6eC 6e-- He 2s He 2s2 2 2p2p22

N 7eN 7e-- He He 2s2s2 2 2p2p33

O 8eO 8e-- He He 2s2s2 2 2p2p44

F 9eF 9e-- He 2s He 2s2 2 2p2p55

Ne 10eNe 10e-- He 2s He 2s2 2 2p2p66

CoucheCoucheKK

n=1n=1

CoucheCoucheLL

n=2n=2

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Règles d’empillement des atomes

Le Tableau périodiqueLe Tableau périodique

Ensuite pour la couche M:

Na 11eNa 11e-- Ne 3s Ne 3s11

Al 13eAl 13e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p11

Mg 12eMg 12e-- Ne 3s Ne 3s22

Si 14eSi 14e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p22

P 15eP 15e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p33

S 16eS 16e-- Ne Ne 3s3s2 2 3p3p44

Cl 17eCl 17e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p55

Ar 18eAr 18e-- Ne 3s Ne 3s2 2 3p3p66

1s

2s

4s

3p

3s

2p

Le tableau périodique (couche M)

Structure du TableauStructure du Tableau

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

n Fonctions1 1s2 2s 2p3 3s 3p4 4s 3d 4p5 5s 4d 5p6 6s 4f 5d 6p7 7s 5f 6d 7p

Structure du tableau

Structure du TableauStructure du Tableau

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

n Fonctions1 2 1s2 8 (10) 2s 2p3 8 (18) 3s 3p4 18 (36) 4s 3d 4p5 18 (54) 5s 4d 5p6 32 (86) 6s 4f 5d 6p7 32 (118) 7s 5f 6d 7p

Places disponibles

Structure du tableau (fonctions)

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0n=1

23 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb4 ns (n-1) d np567

Bloc s Bloc d Bloc p(n-2) f

Bloc f

Structure du TableauStructure du Tableau

En termes de périodes - groupes et sous-groupes

Str. du tableau (places disponibles)

Ia IIa IIIa IVa Va VIa VIIa 0n=1

23 IIIb IVb Vb VIb VIIb VIII Ib IIb4 ns (n-1) d np567

Bloc s Bloc d Bloc p(n-2) f

Bloc f

Structure du TableauStructure du Tableau

En termes de périodes - groupes et sous-groupes

Structure du tableau

Structure du TableauStructure du Tableau

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Structure du tableau (élement)

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Les métauxLes métaux

Les métaux

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Les métaux et les non métauxLes métaux et les non métaux

Les métaux et les non-métaux

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Structure du TableauStructure du Tableau

L ’état physique des éléments:

Elément gazeux du tableau

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Structure du TableauStructure du Tableau

L ’état physique des éléments:

Elément liquide du tableau

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Structure du TableauStructure du Tableau

L ’état physique des éléments:

Elément solide du tableau

Propriétés des élémentsPropriétés 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

Propriétés des élémentsPropriétés 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

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Propriétés des élémentsPropriétés des éléments

Le rayon atomique Le rayon atomique

-C’est une conséquence de l’-C’est une conséquence de l’Effet d ’écranZ*(+e) = Z(+e) -

- - Les rayons ioniques Par rapport à l’élément: Par rapport à l’élément: Rayon des cations Rayon des anions

Variation du rayon de covalence

Propriétés des élémentsPropriétés 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- - EIEI(eV)(eV) AA++ A A2+2+ + e + e- - EI’EI’(eV)(eV) ……

A + eA + e- - A A-- AAee(eV)(eV) AA-- + e + e- - A A2-2- AAee’’(eV)(eV) ……

Potentiel d ’ionisation

Propriétés des élémentsPropriétés des éléments

Le Potentiel d’ionisationLe 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 NaK

B

O

Al

S

Ga

Se

Graphe du potentiel d’ionisation

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

Propriétés des élémentsPropriétés des éléments

Le Potentiel d’ionisationLe Potentiel d’ionisation

Variation du pot. d ’ionisation au des atomes

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

L’électronégativitéL’électronégativité

Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein au sein des moléculesdes molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons

F = 4, corps le plus électronégatifF = 4, corps le plus électronégatif

L ’électronégativité de Mulliken

H HeLi Be B C N 0 F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK 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 XeCs Ba La Hf Tu W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po Al RnFr Ru Ac*

Ce Pr Nd Pm Sm Eu Cd Tb Dy Ho Er Tm Yb LuTh* Pa* U* Np* Pu Am Cm* Bk Cf Es Fm Md No Lr

L’électronégativitéL’électronégativité

Les métaux forts 0,7 < ≤ 1,2

Les métaux faibles 1,5 ≤ ≤ 2,0

Les non-métaux 2,1 ≤ ≤ 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 moléculesdes molécules, à attirer vers soi les électrons, à attirer vers soi les électrons

F = 4, corps le plus électronégatifF = 4, corps le plus électronégatif