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Une vision moderne de l atome L ATOMISTIQUE Titre: latomistique.

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1 Une vision moderne de l atome L ATOMISTIQUE Titre: latomistique

2 Lumière et Onde Electromagnétique = c = c h = E I kA 2 c = 2, m.s -1. h est la constante de Planck h = 6, J.s. Lumière et onde électromagnétique

3 Le Spectre ElectroMagnétique = c = c h = E La lumière est émise ou absorbée Le spectre électromagnétique

4 Les Spectres Atomiques = c = c h = E Les spectres atomiques Collimateur Prisme Film enregistreur

5 Les Spectres Atomiques = c = c h = E Gaz chauffé Collimateur Prisme Film enregistreur Cest un spectre démission Les spectres atomiques Cest un spectre dabsorption Film enregistreur Collimateur Prisme H

6 Les Spectres Atomiques = c = c h = E avec = R. c (1/n /n 2 2 ) où n 1 = 1, 2, 3 … n 2 = n 1 +1, n 1 +2, n 1 +3…. avec = R. c (1/n /n 2 2 ) où n 1 = 1, 2, 3 … n 2 = n 1 +1, n 1 +2, n 1 +3…. Gaz chauffé Collimateur Prisme Film enregistreur Lyman (UV) Balmer (visible) Paschen (IR) Brackett { { Pour l hydrogène, on obtient le spectre démission ci-dessous Les spectres atomiques

7 Une vision quantique des atomes - L'atome de Rutherford ne peut exister - La théorie des quanta nous apprend que : quanta Des échanges d'énergie entre matière et rayonnement de fréquence se produisent par quantités discrètes appelées quanta d'énergie h photons 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 E= h et p=h/ La vision de l'onde électromagnétique est maintenant double puisqu'elle est à la fois onde et corpuscule: E= h et p=h/ Une vision quantique des atomes

8 Le spectre des atomes h - Quand un atome absorbe un rayonnement de fréquence, l'énergie correspondante h est transférée à l'atome. h Il passe dans un état excité dénergie E*=E + h Ces échanges de photons se font à des fréquences { } caractéristiques de la nature de latome considéré. Atome + Photon Atome excité Atome excité Atome + Photon - Quand un atome émet un rayonnement de fréquence, h E=E* - h Bohr en a donné une première interprétation Spectre de latome Elles constituent le Spectre de latome { } Le spectre des atomes

9 Le 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: L atome dhydrogène existe et est stable. Moment angulaire : mvr = constant Hypothèse de Bohr Hypothèse de Bohr : mvr =n.(h/2 où n=1, 2, 3… p+p+ r e - v Le modèle de Bohr et atome H 2

10 Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène 1) 2) 3) en égalant Résolution du problème: 4) donc: 5) Le modèle de Bohr et atome H2

11 Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène En conclusion: 1) n=1, 2, 3, … 2) 3) Le modèle de Bohr et atome H2

12 Le modèle de Bohr et spectre de l'atome d'hydrogène { } Le modèle de Bohr et atome H2

13 Le modèle ondulatoire - Le modèle de Bohr ne sapplique pas aux atomes autres que lhydrogène, ni en présence dun champ électrique ou magnétique - Les expériences de diffraction montrent que l'électron possède les caractéristiques d'une onde. - « de Broglie » - La longueur d'onde est déterminée par la relation de « de Broglie » =h/mv =h/mv L O.E.M. est une onde aux caractéristiques corpusculaires. L'électron est une particule aux caractéristiques ondulatoires. dualité onde / corpuscule Cest la dualité onde / corpuscule. Le modèle ondulatoire

14 Le modèle ondulatoire (suite) fonction d'onde Schrödinger: H =E - Le caractère ondulatoire de lélectron se décrit par une fonction d'onde obtenue à partir de léquation de Schrödinger: H =E - Lélectron ne possède pas de trajectoire. - - Seule sa probabilité de présence est mesurable. n n est le nombre quantique principal. Il fixe lénergie. - Le comportement de lélectron de latome dhydrogène se n, l, m, s décrit au moyen de 4 nombres quantiques: n, 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 lélectron. Le modèle ondulatoire(2)

15 Règles 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 » dénergie s, p, d, f Au nombre quantique azimutal, on associe des symboles 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 … … Le spin de lélectron s Le spin de lélectron s peut prendre deux valeurs, la valeur +1/2, symbolisée par ; la valeur -1/2, symbolisée par Règles fixant les nbres quantiques

16 Le modèle ondulatoire - Le comportement de lélectron de latome dhydrogène se décrit en précisant ses 4 nombres quantiques. Le modèle ondulatoire - Lorsquon 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 états de l hydrogène Les états de lH2

18 La forme des états « s » et « p » 1s2s 2p z 2p x 2p y La forme des états S et P

19 La forme des états « d »

20 Modèle en couches et configuration des atomes précise l'organisation des électrons dans les atomes, c.à.d. leur configuration électronique édification (Aufbau) Principe d édification (Aufbau) Utilisons les orbitales atomiques déduites de l'hydrogène. n - L'ensemble des électrons décrit par un même nombre 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 couches Energie et ordre de remplissage des couches 6d5 5f7 7s1 6p3 5d5 4f7 6s1 5p3 4d5 5s1 4p3 3d5 4s1 3p3 3s1 2p3 2s1 1s1 Energie Symbole des Nombre de Structure des orbitales cases Sous-couches Remplissage des couches

22 2 électrons peuvent donc partager la même case, sils diffèrent par leur spin: Règles de construction des configurations édification (Aufbau) Principe d édification (Aufbau) On empile les électrons un à un en respectant les niveaux d'énergie. Le principe de PAULI précise que 2 électrons dune 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 : S=1 S=1,5 ouou Règles de construction des configurations

23 H 1e - 1s 1 He 2e - 1s 2 Li 3e - 1s 2 2s 1 B 5e - 1s 2 2s 2 2p 1 Be 4e - 1s 2 2s 2 C 6e - 1s 2 2s 2 2p 2 N 7e - 1s 2 2s 2 2p 3 O 8e - 1s 2 2s 2 2p 4 F 9e - 1s 2 2s 2 2p 5 Ne 10e - 1s 2 2s 2 2p 6 CoucheKn=1 CoucheLn=2 1s 2s 4s 3p 3s 2p Le Tableau périodique Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de latome en respectant les règles Le tableau périodique

24 Le Tableau périodique Construction du tableau et des configurations électroniques des éléments On empile les électrons de latome en respectant les règles H 1e - 1s 1 He 2e - 1s 2 Li 3e - He 2s 1 B 5e - He 2s 2 2p 1 Be 4e - He 2s 2 C 6e - He 2s 2 2p 2 N 7e - He 2s 2 2p 3 O 8e - He 2s 2 2p 4 F 9e - He 2s 2 2p 5 Ne 10e - He 2s 2 2p 6 CoucheKn=1 CoucheLn=2 1s 2s 4s 3p 3s 2p Règles dempillement des atomes

25 Le Tableau périodique Ensuite pour la couche M: Na 11e - Ne 3s 1 Al 13e - Ne 3s 2 3p 1 Mg 12e - Ne 3s 2 Si 14e - Ne 3s 2 3p 2 P 15e - Ne 3s 2 3p 3 S 16e - Ne 3s 2 3p 4 Cl 17e - Ne 3s 2 3p 5 Ar 18e - Ne 3s 2 3p 6 1s 2s 4s 3p 3s 2p Le tableau périodique (couche M)

26 Structure du Tableau ns; (n-2)f; (n-1)d; np Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np Structure du tableau

27 Structure du Tableau ns; (n-2)f; (n-1)d; np Au total on obtient la structure: ns; (n-2)f; (n-1)d; np Places disponibles Structure du tableau (fonctions)

28 Structure du Tableau En termes de périodes - groupes et sous-groupes Str. du tableau (places disponibles)

29 Structure du Tableau En termes de périodes - groupes et sous-groupes Structure du tableau

30 Structure du Tableau Structure du tableau (élement)

31 Les métaux

32 Les métaux et les non métaux Les métaux et les non-métaux

33 Structure du Tableau L état physique des éléments: Elément gazeux du tableau

34 Structure du Tableau L état physique des éléments: Elément liquide du tableau

35 Structure du Tableau L état physique des éléments: Elément solide du tableau

36 Propriétés des éléments 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*r(cov) 2*r(vdw) Le rayon atomique

37 Propriétés des éléments Le rayon atomique - Propriétés du - Propriétés du rayon de covalence Propriétés du rayon de covalence

38 Propriétés des éléments Le rayon atomique -Cest une conséquence de l -Cest une conséquence de lEffet d écran Z * (+e) = Z(+e) - - Par rapport à lélément: - Les rayons ioniques Par rapport à lélément: Rayon des cations Rayon des anions Variation du rayon de covalence

39 Propriétés des éléments Le Potentiel dionisation et laffinité électronique -. - Le potentiel d ionisation est lénergie nécessaire pour arracher un électron à un atome. - - L affinité électronique est lénergie qui se dégage lorsquun électron est ajouté à l atome. A A + + e - EI (eV) A + A 2+ + e - EI (eV) … A + e - A - A e (eV) A - + e - A 2- A e (eV) … Potentiel d ionisation

40 Propriétés des éléments Le Potentiel dionisation Graphe du potentiel dionisation

41 Propriétés des éléments Le Potentiel dionisation Variation du pot. d ionisation au des atomes

42 Lélectronégativité Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des molécules, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif L électronégativité de Mulliken

43 Lélectronégativité Les métaux forts0,7 < 1,2 Les métaux faibles1,5 2,0 Les non-métaux2,1 4,0 L électronégativité de Mulliken Définie par Pauling: Mesure la tendance des atomes, au sein des molécules, à attirer vers soi les électrons F = 4, corps le plus électronégatif


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