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Le nombre d’Avogadro
L’infiniment petitL’infiniment petit
Les systèmes physiques• atome• molécule• noyau • les particules fondamentales: quarks et électrons
L’énergie associée au système physique :• de la molécule• de l’atome• du noyau
Les systèmes physiques et leurs «découvreurs»
quarksleptons
(électrons)
hadrons(protrons & neutrons)
noyaux
atomes
molécules
Rutherford 1919
Gell-Mann 1964
Chadwick1932
Rutherford 1911
Guay-Lussac
~ 1820
Thompson~ 1890
Lavoisier ~ 1790Dalton ~ 1800
nous sommes «poussières d’étoiles»
atomes
molécules
processus physicochimiques terrestres abiotiques (actions du vent, de l’eau, de l’air; ex: oxydation)
minéraux
fluides
règne végétal règne animal
Êtres humains
la vie
Le nombre d’AvogadroLe nombre d’Avogadro
• Un facteur d’échelle entre le monde de l’infiniment petit et le monde du visible
N0 = 6,022 1023 atomes dans un atome-gramme ou molécule dans une molécule –gramme (mole):
• comme dans 12 g de carbone (C12), et 18 g d’eau liquide (H2O)
• comme dans 22,4 litres de gaz dans les conditions normales de température ou de pression (15 0C et 1 atmosphère)
Par exemple: 1 litre d’air contient (6,022 1023/ 22,4) ou environ 2,7 1022 molécules d’air (oxygène et azote).
le brassage continuel de l’air atmosphérique fait que toute émission locale d’un gaz se retrouve avec le temps dilué à l’échelle globale de l’atmosphère
le dernier souffle d’Aristote
2 litres ou encore 5 1022 molécules réparties dans les 4 1021 litres de l’atmosphère, soit environ une douzaine de molécules par litre d’air
c’est ¼ de million de molécules expirées par Aristote qui chaque jour viennent en contact intime avec les alvéoles et les composés du sang de chacun des humains !
l’être humain respire 20 m³ (20 000 litres) d’air par jour
Le nombre d’AvogadroLe nombre d’AvogadroRestons avec l’exemple de l’atmosphère: (volume équivalent de 4.1021 litres dans les conditions de pression normale)
•1 litre d’air contient environ 2,7 1022 molécules
L’eau «métabolisée», l’eau ingérée et bue et aussi excrétée nécessaire à votre métabolisme quotidien, est d’environ 2l/j.
L’hydrosphère représente de l’ordre de 1,4 1021 litres
Nous absorbons chaque jour (2. 2,7 1022 (mol/litre) /1,4 1021litres) soit 50 molécules d’eau ayant eu un contact intime avec les entrailles des premiers humanoïdes ou même des autres organismes vivants comme les grands dinosaures qui devaient même consommés plus d’eau au quotidien.
Ce taux de dilution est supérieur aux pratiques de dilution de la médecine homéopathique par exemple et du phénomène de la «mémoire» de l’eau propre à certaines médecines douces.
Nous pourrions refaire ce calcul avec la plupart des éléments minéraux de la croûte terrestre, mais faisons le plutôt avec l’eau, élément si nécessaire à la vie.
Spinosaurus
96-65 millions d’années
53-33 millions d’années
1,8 millions- 10000 ans
Uintatherium
Nous sommes mémoire du passé de la Terre
L’atome
Lame mince sous lumière polarisée d’achondrite, un météorite des plus vieux (4558 Ma) du système solaire
source de radium
détecteur d’
cible d’ordiaphragme
L’expérience de Rutherford
diffusés
réfléchis
déplacement du détecteur
particules
L’expérience de Rutherford
angle de diffusion
nom
bre
de
par
ticu
les
106
103
11500
0 300 600 900 1200
1. La plupart des particules sont peu défléchies
• la matière est pleine de vide
• déflexion électromagnétique
2. Quelques unes sont sont fortement défléchies
• il y a des zones extrêmement denses de charges et de très faible volume
l’espace de l’atome est principalementoccupé par les électrons et vide
l’atome a un noyau, espace réduit qui rassemble toutes les charges
positives et la masse
+
Avant Rutherford
L’atome
+--
---
-
-
-
-
-
-
--
-
-
La représentation de l’atome
Bhor- 1913modèle de couches sphériques
n = 1
n = 2
n = 3
La représentation moderne de l’atome
Les orbites électroniques
Couche principale
Sous-couche nombre d’électrons
symbole n L(0,1..n-1)
m(0,±1..±L)
symbole
K 1 0 0 s 2
L 2 0
1
0
-1, 0, +1
s
p
2
6
M 3 0
1
2
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, 1, 2
s
p
d
2
6
10
N 4
0
1
2
3
0
-1, 0, +1
-2, -1, 0, 1, 2-3,-2,-1,0,1,2,3
s
p
d
f
2
6
10
14
Les orbites électroniques
de
l’at
ome
(dis
tan
ce é
lect
ron
s- n
oyau
)
couche n 1 2 3 4 5
Én
ergi
e d
e co
hés
ion
de
l’éd
ific
e at
omiq
ue
FE = k Zq²/d²
ss
s
s
s
p
p
p
p
d
d
d
f
f
2
nombre d’électrons
26
2
2
2
6
6
6
10
10
10
14
14
Créer au laboratoire
Le tableau périodique
groupe
période
2003 2003
La chimie: propriétés d’appariement des électrons
extérieurs de sous couches non complètes
• éclat particulier• bon conducteur de chaleur et d’électricité• oxydes basiques en combinaison avec l’oxygène
• pas d’éclat particulier• mauvais conducteur de chaleur et d’électricité• composés acides ou neutres avec l’oxygène
métaux
métalloïdes
AZE
masse atomique A = Z+N
numéro atomique Z, nombre de protons
N, nombre de neutrons
La chimie: propriétés d’appariement des électrons
extérieurs de sous couches non complètes
AZE
masse atomique A = Z+N
numéro atomique Z, nombre de protons
N, nombre de neutrons
Les éléments chimiques (E) d’un même Z sont chimiquement identiques même s’ils ont un nombre N de neutrons différents : un élément (Z donné) peut avoir plusieurs isotopes (N différent).
168O (99,76%), 17
8O (0,03%), 188O (0,204%)
L’énergie de l’atome
photon
photon
excitation déexcitation
En réalité, l’énergie recueillie après excitation sera toujours inférieure à l’énergie
absorbée lors de l’excitation
L’énergie de l’atome
E1 E2 E5E4E3
électron libre Ec = Ephoton –E1
excitationdéexcitation
E1> E2 > E5E4 >E3 >
Ephoton> E1
visible
UV
R-X
radiations émises
L’analyse spectroscopique
Ephoton
nom
bre
de
ph
oton
s d
étec
tés
E1-E2 E1-E3
Un spectre de raies caractéristiques des éléments contenus dans l’échantillon
L’élargissement du pic est dû à l’agitation naturelle des électrons et atomes ce qui introduit un élargissement des énergies des sous couches et une distribution des vitesses (et donc des énergies) des électrons autour de la valeur moyenne
L’énergie utile
atome
radiations Énergie du photon
visible qques eV
ultraviolet diz-cent. eV
rayons X cent. milliers eV
l’atome absorbe plus d’énergie qu’ilen redonne, mais les émissions sont utiles
lumière (visible)
diagnostics et traitements en santé (UV et R-X)
Attention danger
La molécule
La molécule: une association ordonnée d’atomes
Les propriétés chimiques sont liées à la configuration (nombre d’électrons) des orbites extérieures
• ceux avec un électron en trop (alcalin) cherchent à le partager avec ceux auxquels il manque un électron (halogène)• les atomes avec une configuration (s2p6) sont inertes (gaz rares)
Règle générale: • les atomes se groupent de façon à compléter les sous couches (s,p,d..)
Liaison de covalence
Liaison ioniqueNa
Cl
Na+
Cl-
H
H
H2
ClNa
mise en commun pour compléter la sous
couche s2
don de 1 électron pour compléter une sous couche
p6
La molécule: une association ordonnée d’atomes
L’énergie associée à l’édifice de la molécule
L’excitation ne peut pas être comme dans le cas de l’atome, l’expulsion ou le saut d’orbite d’un électron, ce processus a pour effet de détruire le lien de cohésion
E excitation du domaine des infrarouges lointains
HH
O
Energie de vibration
H H
O
Energie de rotation
1. Excitation
L’énergie associée à l’édifice de la molécule
E réaction du domaine des infrarouges proches
2. Réaction «chimique»CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + Q (~200 000 calories)
E (CH4) 2E (O2) E (CO2) 2 E (H2O)
état de liberté individuelle des atomes
État deplus grande cohésion des molécules
Q = (ECH4 + 2EO2 ) – (ECO2 + EH2O) avec E m0 c²
L’énergie exothermique provient d’une perte de masse ou gain de cohésion des édifices moléculaires
L’énergie utile
atome
radiations Énergie du photon
visible qques eV
ultraviolet diz-cent. eV
rayons X cent. milliers eV
molécule infrarouge < eVchaleur
spectroscopie IR
lumière
usages
diagnostic ettraitements
Attention danger
Le noyau
Le noyau: protons et neutrons «agglutinés»
force nucléaire forte
gluons attractionsp pp nn n
attractionentre les 3 quark de l’édifice
du proton et du neutron
résidu
Le noyau
90%
10%
r0 r0 = 1,3 A1/3 10-15 m
Volume du noyau ~ A
r ~ A1/3
r
r
AZE, N = A-Z
radioisotopes isotopes instables
radioactivité: rayons particules et
Noyau d’Uranium
Nombre de protons
Nom
bre
de
neu
tron
s
Isotopes et
radioisotopes
les nombres magiques:2- 8- 20- 2850 - 82
Z = 82 (Pb)
cohésion :
N pair
Z pair
N-Z: pair-pair
Énergie de liaison par nucléon
fusion
fission
La fusion un potentiel de 7 fois plus d’énergie récupérée par nucléon que la fission
MeV
1
2
3
4
5
6
7
L’énergie utile
atome
radiations Énergie du photon
visible qques eV
ultraviolet diz-cent. eV
rayons X cent. milliers eV
molécule infrarouge < eVchaleur
spectroscopie IR
lumière
usages
diagnostic ettraitements
noyau rayons gamma () qques MeVdiagnostic ettraitements
Attention danger
Les particules élémentaires
Les particules élémentaires
Les trajectoires de particules élémentaires dans une chambre à bulles
Les particules élémentairesLes particules élémentaires
Pour décrire le «monde»:
• quatre interactions fondamentales• électromagnétique (cohésion des atomes et molécules)
• nucléaire forte (cohésion des noyaux)
• nucléaire faible (modification des quarks)
• gravitation (cohésion de l’univers et pesanteur)
• trois familles de particules élémentaires• chacune avec 2 baryons (quarks) et 2 leptons et leurs particules d’antimatière
La matière «ordinaire», celle qui est stable à basse énergie, est composée exclusivement de la première famille
agent
photon
gluonbosons
graviton
Les particules fondamentales
uquark haut
1ère famille 2ème famille 3ème famille
dquark bas
cquarkcharmé
squark étrange
tquark top
bquark beauté
électron muon tau
neutrino neutrino neutrino
charge électrique
nombre leptonique
nombre baryoniqu
e
0
0
0
0
0
-1
-1/3
2/3
1/3
1/3
1
1
baryonsleptons mésons (2 quarks)
proton et neutron
u u
d
d u
d
d u
d
u u
d
W- (- + e)
désintégration du neutron libre
charge
nombre baryonique
1
1 0
n0 p+ + - + e
agent de la force nucléaire faible
La mort du proton? (vie1032ans)
Une structure de poupée russe
corde
23 juin 1966