Cours d’atomistique
S1/SMP-SMC
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Université Ibn Tofail Année Universitaire 2013-2014
Faculté des Sciences
Kenitra
Pr. Omar BENALI
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CHAPITRE I
CONSTITUTION DE L’ATOME
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Un atome (du grec, atomos, " que l'on ne peut diviser") est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre.
Un atome est constitué d'un noyau composé de protons et de neutrons autour desquels gravitent des électrons.
Noyau : (protons+Neutrons)
Cortège électronique
(Electrons gravitant autour du noyau )
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II. Caractéristiques de l'atome
le noyau, composé de deux sortes de particules appelées nucléons :
les neutrons, particules de charge électrique nulle qn = 0C, et de masse égale à , mn = 1,575 ×10-27 kg
les protons, particules de charge électrique positive égale à : qp=+e= 1,602 ×10-19 C,
et de masse égale à : mp = 1,673 ×10-27 kg.
Le noyau est donc chargé positivement.
La masse du noyau, est égale à la somme des masses des protons et des neutrons, appelée nombre de masse.
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Autour du noyau gravitent des électrons suivant des trajectoires bien définies, cela constitue le nuage électronique;
Les électrons possèdent une charge électrique négative égale à : qe = -1,602 ×10-19 C,
Cette charge est identique à celle du proton en valeur absolue.
La masse de l’électron est bien plus faible que celles des nucléons (1836 fois moindre) :
me = 9,109×10-31 kg.
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Représentation de l’atome
L’atome est le constituant de base de la matière. Il correspond à un élément chimique représenté par un symbole qui est généralement la lettre initiale en majuscule du nom de l’élément.
Exemple : Le Carbone symbolisé par C
Le Fluor symbolisé par F
Au cas où deux éléments ont la même lettre initiale, un des deux est symbolisé par la première lettre en majuscule et la deuxième en minuscule :
Exemples : Le Cobalt symbolisé par Co
Le Fer symbolisé par Fe
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Un élément chimique de symbole X est caractérisé par son numéro atomique Z et son nombre de masse A :
x
A
z
A : nombre de masse de l’atome. Il désigne le nombre de nucléons, soit la somme du nombre de protons et du nombre de neutrons.
A = Σ protons + Σ neutrons
Comme Σ protons = Z, on pose Σ neutrons = N ⇒
A = Z + N avec A ∈ N∗
Z : désigne le nombre de protons.
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Le carbone possède:
6 protons,
6 électrons
et (12-6) = 6 neutrons
c
12
6
Exemples
Sc
47
21
Le Scandium possède :
21 protons,
21 électrons,
et (47-21) = 26 neutrons
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Lorsque, le nombre de proton est égale au nombre d’électron l’atome est dit neutre.
Les atomes sont susceptibles de se charger électriquement en gagnant ou en perdant un ou plusieurs électrons : on parle alors d'ions.
X+ L’atome a perdu un électron (Cation)
X- L’atome a gagné un électron (Anion)
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La masse des atomes
La masse d'un atome est la somme des masses de ses divers constituants.
Matome = Z(mproton) + N (mneutron) + Z (mélectron)
La masse des électrons est très faible par rapport à celle des neutrons ou des protons, nous pourrons donc la négliger.
L'atome étant très petit on préfère utiliser la masse molaire atomique qui correspond bien sur à la masse d'une mole d'atomes.
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La mole est définie comme le nombre d'atome de carbone 12 contenu dans 12 g de carbone 12.
En pratique ce nombre N est appelé nombre d'Avogadro et vaut environ 6,022 1023.
Une mole d'atome correspond à N = 6,022 1023 atomes
c
12
6
12
L’Unité de Masse Atomique
Elle est définie comme 1/12 de la masse d'un atome de Carbone12C (carbone),
Une mole de carbone C pesant par convention 12 g et correspondant à N atomes de carbone.
1mole d’atome (N atomes) 12g
1 atome ?
Un atome de carbone pèse donc 12/N(g) et
l'unité de masse atomique vaut donc (1/12) x(12/N ) = 1/N (g).
Un atome à une masse de M (uma) signifie que sa masse molaire atomique est de M (g).
1 u.m.a = 1/ N( )g = 1/6,022 1023 ≈ 1,67 10-24 g ≈ 1,67.10-27 kg
Pèse
Pèse
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Un atome à une masse de M (uma) signifie que sa masse molaire atomique est de M (g).
1 u.m.a = 1/ N( )g = 1/6,022 1023 ≈ 1,67 10-24 g ≈ 1,67.10-27 kg
1 u.m.a ≈ 1,67.10-27 kg
La masse atomique d’un élément est la masse en g de N atomes :
N(Z+N)x1/ N = Z+N = A
La masse de l'atome exprimée en u.m.a ou sa masse molaire exprimée en g sont pratiquement égales à son nombre de masse A = Z + N.
Défaut de masse
On appelle défaut de masse d'un noyau la différence entre la masse totale des A nucléons séparés ( Z protons et N neutrons ) , au repos et la masse du noyau formé au repos.
La masse m d’un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses nucléons isolés.
Energie de liaison et Energie de cohésion des noyaux
Le défaut de masse Δm correspond à une libération d’énergie (E) absorbée par les nucléons eux-mêmes, lors de la réaction de formation d’un noyau stable AZX:
(E) est appelée énergie de liaison. Elle définit l’énergie libérée lors de la formation d’un noyau à partir de particules élémentaires : protons et neutrons.
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Les isotopes
Deux atomes sont dits isotopes si leur noyau a un nombre de protons identique mais un nombre de neutrons différent.
Le carbone 14, noté
sont ainsi des isotopes de l'élément carbone.
et le carbone 12, noté ,
c
12
6
c
14
6
Le carbone 14 a 6 protons, 6 électrons et (14-6)=8 neutrons
Le carbone 12 a 6 protons, 6 électrons et (12-6)=6 neutrons
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Les isotopes les plus courants de l'hydrogène 11H sont
12H pour le deutérium (1P, 1e-, 1N)
et
13H pour le tritium. (1P, 1e-, 2N)
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Pour la majorité des atomes, un seul des isotopes existant est présent en quantité appréciable dans la nature les autres isotopes étant seulement présents à l'état de traces.
On désigne par abondance naturelle le pourcentage en nombre d'atomes de chacun des isotopes présents dans le mélange naturel.
La masse molaire atomique d'un élément est déterminée en tenant compte de l'abondance naturelle des isotopes de cet élément.
C’est une masse molaire moyenne qui tiendra compte de sa composition.
M = Σ xi Mi/100
xi désignant l'abondance naturelle de l'isotope i de masse molaire Mi.
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Exemple :Le Magnésium (Z = 12 ) existe sous forme de trois isotopes de nombre de masse 24, 25 et 26.
Les fractions molaires dans le magnésium naturel sont respectivement :
10,1% pour 25Mg et 11,3% pour 26Mg.
Déterminer une valeur approchée de la masse molaire atomique du Magnésium naturel.
M (Mg) = Σ xi Mi/100 =
([%(24Mg)xM(24Mg)] + [%(25Mg)xM(25Mg)] + [%(26Mg)xM(26Mg)])/100
Calcul de l’abondance de l'isotope 24Mg Σ xi = 100
% 24Mg: 100 – 11,3 – 10,1 = 78,6%
Calcul de M (Mg)
M = (11,3*26 + 10,1*25 + 78,6*24)/100 = 24,33 g.mol-1.
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CHAPITRE II
Les modèles classiques de l’atome
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En 1897, Thomson, physicien, anglais, (1856-1940) découvre le premier composant de l'atome: l' électron , particule de charge électrique négative.
Schéma de l'expérience des rayons cathodiques réalisée par Thomson en 1897
Déviation du faisceau par des champs magnétique et électrique.
Dans son expérience, il démontre que les rayons cathodiques peuvent être déviés par un champ électrique, ce qui est prévisible pour les particules chargées. de gaz.
Il construit un tube cathodique avec un vide plus poussé, et muni d'une couche de peinture phosphorescente au bout pour détecter des rayons incidents.
Thomson démontre une déviation dans un sens qui indique que la charge des rayons cathodiques est négative.
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En 1904, il propose un premier modèle d'atome, surnommé depuis "le pudding de Thomson« .
Il imagine l'atome comme une sphère remplie d'une substance électriquement positive et fourrée d'électrons négatifs "comme des raisins dans un cake".
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1912 LA DECOUVERTE DU NOYAU
Le modèle de Rutherford
En 1911, Ernest Rutherford (1871-1937) réalisa une expérience qui allait lui permettre d'élaborer un nouveau modèle de l'atome.
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Il observa que la majorité des particules traversaient la feuille d'or sans être déviées et sans endommager la feuille d'or. Il observa également que certaines particules étaient légèrement déviées et que d'autres étaient rejetées en arrière.
Feuille d’or
Particule α déviée
Particule α non déviée
Particule α qui rebondit
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Pour expliquer les observations expérimentales Rutherford propose un nouveau modèle dans lequel :
l'atome n'est pas plein (structure lacunaire (Vide)) c'est pour cela que la plupart des particules ne sont pas déviées.
Pour Rutherford, Il existe de même des îlots de charge positive qui repoussent les particules α.
L'atome est donc constitué d'un noyau chargé positivement et qui contient la majorité de la masse de l'atome
Et
d'électrons qui tournent autour tels les planètes autour du Soleil. Entre le noyau et les électrons, il y a du vide.
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Inconvénients du modèle de Rutherford
L’atome selon le modèle de Rutherford est instable. pourquoi?
2. Les principes de la théorie électromagnétique connues à l’époque affirmaient que tout mouvement de charge électrique s’accompagne d’une émission de radiations électromagnétiques, laquelle entraîne une diminution de l’énergie. Les électrons devraient donc se rapprocher du noyau.
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1913 Modèle de Bohr : Niels Bohr (1885-1962)
Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome:
�Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées"; seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron. Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber) de la lumière.
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Lorsqu'on soumet du dihydrogène H2 sous faible pression (de l’ordre de 10−3 à 10−4 bar) à une décharge électrique (de quelques volts à quelques centaines de volts) on observe une émission lumineuse qui constitue le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène.
Les atomes émettent un rayonnement lorsqu'ils sont soumis à une excitation.
Si on analyse plus précisément la lumière émise on observe un spectre discontinu ou spectre de raies.
Spectre d’émission de l’atome d’Hydrogène
Expérience:
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400
500
600
700
λ (nm)
410
434
486
656
Le spectre est constitué de radiations monochromatiques �de longueurs d'onde λ bien définies.
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Quantification de l’énergie
Afin de résoudre les problèmes du modèle de Rutherford, Bohr s’inspira de la théorie de la quantification de l’énergie mise au point par Max Planck en 1900.
Dans cette théorie l’énergie transportée par un rayonnement est quantifiée. Chaque rayonnement possède un quantum d’énergie �E = hν avec h = 6,63 10-34 j.s = constante de Planck et ν =c/λ. On donne le nom de photon au quantum d’énergie rayonnante
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1- Quand un atome est excité, il émet un rayonnement, donc une énergie.
2- La matière, en l’occurrence l’Hydrogène, excitée, n’émet pas n’importe quelle lumière (énergie), mais des lumières (énergies) bien définies (du fait de la discontinuité du spectre).
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But : détermination d’une relation entre les caractéristiques des différentes raies du spectre
Au lieu de λ, on utilisera σ (σ = 1/λ) : Nombre d’onde.
Dès 1885, le suisse J. Balmer a proposé la relation
RH : Constante de Rydberg pour l’Hydrogène, sa valeur expérimentale vaut : 109677 cm-1= 10967700 m-1
En donnant à p les valeurs 3, 4, 5 et 6, on retrouve respectivement les valeurs de λ : 656, 486, 434 et 410 nm des 4 raies du spectre.
σ = 1 / λ = RH (1/22 - 1/p2)
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Il a été observé que les longueurs d'onde des raies n'étaient pas quelconques et qu'on pouvait les calculer par une formule empirique qui a été généralisé comme suit:
σ = 1 / λ = RH (1/n2 - 1/p2)
σ est le nombre d'onde
RH = 1,096 107 m-1 : la constante de Rydberg pour l’hydrogène..
n et p sont des entiers tels que n < p.
La formule est appelé formule de Rydberg ou Ritz
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INTERPRETATON :
Interprétation du spectre de l’hydrogène
Niels Bohr a posé les postulats suivante:
Postulat mécanique :
L’électron de l’atome d’hydrogène ne possède qu’un nombre limité d’états accessibles. Ce sont des états stationnaires.
Chaque état possède une énergie invariante (quantification des niveaux d’énergie de l’hydrogène) ( E1, E2, E3,…….En) sur lesquelles l’électron ne rayonne pas.
Le premier niveau d'énergie la plus basse est appelé niveau fondamental, les autres niveaux d'énergies plus élevées sont appelés des niveaux excités.
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Postulat optique :
Normalement l’électron occupe l’état fondamental, mais il peut passer à un état excité si on lui fournit de l’énergie
Pour revenir à son état fondamental il doit restituer cette énergie qui sera émise sous forme lumineuse. Cette énergie sera émise sous forme d'énergie lumineuse. L'énergie du photon émis est donnée par la relation de Planck : E = h ν.
Ces déplacements de l’électron d’un niveau à un autre sont appelés des transitions
La transition entre deux états accessibles s’accompagne de l’absorption ou de l’émission d’un photon d’énergie égale à la différence de l’énergie des deux états.
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ΔE = En- Ep = hν
h : 6,623 10-34 j.s (constante de Planck)
ν : fréquence de rayonnement mis en jeu.
Soit les niveaux n et p avec p>n
Une absorption d’une radiation est obtenue lorsque l’électron passe du niveau n au niveau p
n
p
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Une émission d’une radiation est obtenue lorsque l’électron passe du niveau p au niveau n.
n
p
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Postulat du moment cinétique
Les états de mouvement permis sont ceux pour lesquels le moment cinétique σ0 de l’électron est un multiple entier de (h/2π).
σ0 = n (h/2π) = mevern
me : masse de l’électron et ve sa vitesse
rn : rayon de l’orbite dans laquelle circule l’électron.
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Notions de série de raies :
Si nous prenons la formule
σ = 1 / λ = RH (1/n2 - 1/p2)
On dit que le spectre d'émission de l'atome d'Hydrogène se décompose en plusieurs séries: les séries de Lyman, Balmer, Paschen, Brackett et Pfund.
Chaque série est définie par le niveau d'énergie final des transitions électroniques..
Selon la valeur de n, nous avons différents spectres de raies :
Série (n) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Nom | lyman | Balmer | Pashen | Brackett | Pfund |
Domaine | UV | Visible | IR | IR | IR |
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Ex: la série de Balmer correspond à l'ensemble des photons émis lors des transitions électroniques de niveaux d'énergie n>2 vers le niveau d'énergie n=2. Les photons émis sont alors situés dans le domaine du visible comme indiqué sur le spectre d'émission ci-dessous.
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Calcul de quelques grandeurs de l’atome d’hydrogène
CHAPITRE III
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L'hydrogène 1H est constitué d'un noyau de charge (+e) et d'un électron de charge (-e), séparés par une distance r.
Noyau
Electron
r
Dans le modèle atomique de Bohr, l'électron tourne autour du noyau en suivant un mouvement circulaire uniforme avec une vitesse V, sur une orbite de rayon r.
L'application du principe fondamental de la mécanique permettra alors de déterminer l'énergie de l'électron.
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L'électron chargé négativement est soumis à la force d’attraction coulombienne du noyau chargé positivement. (Le poids des électrons est considéré comme négligeable).
L’électron est aussi soumis à la force centrifuge due à son mouvement circulaire :
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Energie totale = Energie cinétique + Energie potentielle
Donc:
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Hypothèse de Bohr
2) Lorsque l’électron absorbe ou émet de l’énergie, il change d’orbite ou de niveau d’énergie.
Orbites permises <=> orbites stationnaires
⬄ 2 π r = n λ ( n = 1, 2, 3...)
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Quantification du moment cinetique
En remplaçant V par sa valeur dans l’équation
on détermine le rayon des orbites:
mvr = nh/2π
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Pour r1 = 5,3 10-11m = 0,53Å : (n=1)
premier rayon de Bohr pour l'atome d'hydrogène qu’on note a0.
Pour n = 2 , 2ième orbite de Bohr r2 = 4× a0 ;
Pour n = 3 , 3ième orbite de Bohr r3 = 9× a0 ;
Pour n = 4 , 4ième orbite de Bohr r4 = 16× a0
On constate que l’électron ne peut se trouver que sur une suite discontinue caractérisée par le
nombre quantique n dont le rayon r est : a0, 4a0, 9a0, 16a0,…
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Remplaçons r par sa valeur dans E:
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- l’énergie correspondante (2)
K = 2,18.10-18J, soit en ev : K = 13,6eV (1eV = 1,6.10-19J)
Pour n=1
C’est l’énergie fondamentale de l’atome d’hydrogène.
Donc l’énergie sera exprimée de la façon suivante
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Les différents états quantifiés de l’énergie sont :
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Transitions entre niveaux électroniques.
D’après la seconde hypothèse de Bohr, le passage d’un e- d’une orbite définie par ni à une orbite définie par nf , se fait par un échange d’un quantum d’énergie :
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L’énergie d’excitation
L’énergie d’excitation de l’atome d’hydrogène est l’énergie nécessaire pour faire passer l’électron de l’orbite n1 à une orbite n2 (n1 ≠ n2).
L’énergie d’ionisation
L’énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène est l’énergie nécessaire pour faire passer l’électron de l’orbite n = 1 à n = ∝ Ce phénomène correspond à l’arrachement de l’électron de l’atome :
L’énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène est :
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Les Hydrogénoïdes
Un hydrogénoïde ou atome hydrogénoïde est un ion monoatomique ne possédant qu'un seul électron.
Il a alors une structure semblable à celle de l'atome d'hydrogène, hormis la charge de son noyau Ze où Z est le numéro atomique de l'élément chimique et e la charge élémentaire.
C'est donc un atome auquel on a arraché tous les électrons sauf un.
Exemple : 2He+, 3Li2+, 4Be3+…….
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Pour les hydrogenoïdes, toutes les formules vues pour l’atome d’hydrogène concernant le calcul du rayon, de l’énergie et de la vitesse de l’électron sur une orbite n peuvent être retrouvées en remplaçant dans celles de l’atome d’hydrogène, la charge du noyau (+ e) par (+Ze).
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Conclusion
Le modèle de Bohr a permis de lever l’instabilité de l’atome selon Rutherford. Il a aussi permis l’interprétation du spectre d’émission de H. Ce modèle reste toutefois insuffisant pour expliquer les spectres des atomes autres que les Hydrogénoïdes. Sommerfeld a amélioré ce modèle en proposant des trajectoires elliptiques au lieu des trajectoires circulaires.
Nous allons passer maintenant au modèle ondulatoire qui va apporter une nouvelle conception de l’organisation électronique.