2. La structure des atomes

2. La structure des atomes La structure interne des atomes: les particules subatomiques Les atomes ne sont pas les plus petites particules possible mais ils sont constitués de particules subatomiques: les électrons, protons, et neutrons

Le modèle de Rutherford → l’atome contient un noyau très petit où toute la masse et la charge positive (les neutrons et les protons) sont concentrée entouré par un grand nuage électronique.

Le nuage électronique et le noyau Exemple: rnuc = 1 cm rel = 1km Le rayon électronique est beaucoup plus grand que le rayon du noyau: x rel/rnuc  104-105

La structure du noyau La structure du noyau Protons et neutrons sont constitués de particules encore plus élémentaires: les quarks La chimie: changements dans le nuage électronique forces électromagnétiques énergie d’interaction typique: 400 kJ/mol La structure du noyau

La structure du noyau: la physique nucléaire Jusqu’à 1932: 3 particules élémentaires: les électrons, protons, et les neutrons Aujourd’hui: > 100 particules élémentaires (pions, positons, anti-particules,neutrinos, quarks (6 saveurs: up, down, charm, strange, top, bottom, 3 couleurs and 3 anti-couleurs) Site web des particules élémentaires: http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/elementaryparticles/elementaryparticles.html Saveurs, charge de couleur,bleu vert rouge Quelles sont les forces qui tiennent le noyau ensemble malgré la large répulsion entre les protons?

Les forces fondamentales http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/forces/funfor.html

Le nombre atomique Les caractéristiques chimiques d’un atome sont déterminé par le nombre d’électrons qu’il contient. Pour un atome neutre le nombre d’électrons est égal au nombre des protons: nel = nprot Tous les éléments chimiques sont constitués d’un seul type d’atome qui est caractérisé par un nombre identique de protons nprot On l’indique par: un symbole (1 or 2 lettres: p.ex. H (hydrogène), Na (sodium) etc…) le nombre atomique Z égal à le nombre des protons Z = nprot Dans le tableau périodique des éléments les éléments sont classifiés selon l’ordre croissant du nombre atomique.

Le tableau périodique http://www-tech.mit.edu/Chemicool/ http://www.webelements.com/

Le nombre de masse et les isotopes Tous les atomes peuvent contenir un nombre variable de neutrons  ils possèdent les mêmes propriétés chimiques mais une masse différente Le nombre total des nucléons (protons et neutrons) est appelé le nombre de masse A: A = nprot + nneut Les atomes avec les mêmes nombres atomiques mais des nombres de masses différents on appelle isotopes. Exemple: les isotopes du néon

Quiz I Quel est le nombre atomique du carbone? A) 12 B) 6 C) 13 Quel est le nombre de masse de l’isotope le plus abondant du carbone? Combien de protons et de neutrons possède cet isotope? A) 6 protons et 6 neutrons B) 12 protons et 12 neutrons C) 6 protons et 7 neutrons

Les tables d’isotopes Quels nombre de masse correspondent aux noyaux stables? http://en.wikipedia.org/wiki/Isotope_table_%28complete%29 La désintégration nucléaire: http://www-nds.iaea.org/nudat2 Mayer-Goeppert model? Magic numbers vs metal clusters

Quelques isotopes importants Les isotopes stables sont caractérisés par nneut~ nprot , resp. A ~ 2Z (‘l’île de stabilité’)

Les propriétés physiques des isotopes Tous les isotopes d’un élément ont le même nombre atomique (le même nombre des protons et des électrons nel = nprot). Ils ont les mêmes propriétés chimiques mais a cause de la différence en masse, ils peuvent avoir des propriétés physiques différentes. L’image montre deux échantillons chacun avec une masse de 100g. L’échantillon à gauche contient de l’eau (H2O)et celui à droite de l’eau lourde (D2O). A cause de la différence en densité, le volume occupé de l’eau lourd est 11% moindre que celui de l’eau normale.

Résumé: nombre atomique et nombre de masse Tous les éléments chimiques sont constitués d’atomes avec un nombre spécifique de protons (qui est égal au nombre d’électrons). Le nombre de protons d’un atome s’appelle nombre atomique Z. Dans le tableau périodique tous les éléments chimiques sont classés en ordre croissant de Z. Exemple: 12 Nombre de masse A 14C 6 C symbole chimique pour carbone 13C 6 6 Nombre atomique Z 98.90% 1.10% <0.01% Les atomes d’un élément peuvent contenir un nombre variable de neutrons, ça veut dire qu’ils peuvent avoir des masses différentes. Des atomes qui ont un nombre identique de protons mais un nombre différent de neutrons sont appelés des isotopes. Le nombre total de protons et de neutrons déterminent la masse de l’atome. On dit que les isotopes d’un atomes ont le même nombre atomique Z mais un nombre de masse A qui est différents.

Spectromètre de masse 1 u = 1.66054 10-27 kg Les masses atomiques et moléculaires peuvent être mesuré avec grande précision... Les isotopes du néon spectre de masse de HF spectromètre de masse Les masses sont mesurées dans des unités de masse atomique 1u: 1 u = 1.66054 10-27 kg Exemple: masse atomique de H: 1u (mais dans le TPE: mH = 1.0079 (selon l’abondance naturelle des isotopes)

Quiz II La masse atomique de H-1 est 1u. Est-ce que cette masse est égal à la somme des masses des particule subatomique de H-1? A) oui B) non Quelle est la masse moyenne d’un atome d’hydrogène donnée par le tableau périodique des éléments? Quelle est l’abondance naturelle des deux isotopes stables d’hydrogène? Combien de pics vous attendez à voir dans un spectre de masse d’une molécule C2H2 (sans fragmentation)? A) 2 pics B) 4 pics C) 5 pics 4) Quelle est l’intensité relative de ces pics?

Combien d’atomes sont contenus dans les quantités macroscopiques de matière?

Quelques définitions... NA = 6.02214 1023 mol-1 La mole: 1 mole est la quantité d’une substance qui contient le nombre d’Avogadro de particules. Le nombre d’Avogadro NA: NA = 6.02214 1023 mol-1 La masse molaire: La masse d’une mole de particules. À prendre note: La masse donnée dans les tableaux périodiques des éléments peut être interprété comme masse d’un seul atome de l’élément en unités de masse atomique ou comme la masse moléculaire de cet élément en g/mol. La molarité d’une solution: La molarité est une mesure pour la concentration d’une solution. Une solution de molarité 1M contient une mole d’une substance dissolue par litre de solution.

Quiz III Quelle est la masse molaire de l’eau? A) 18 u B) 18 g/mol Combien de moles sont contenues dans un échantillon de carbone de 1g? A) 1 mole B) 12 moles C) 1/12 mole Combien de grammes de NaCl faut-il pour préparer un litre d’une solution 2 molaire? A) 58 g B) 200g C) 116 g

Radioactivité 1) Émission de particules: particules a: 2 protons 2 neutrons Henri Becquerel radiation de type a e- émission d’électrons radiation de type b 2) Émission de radiation électromagnétique Radiation de type g Marie Curie (1867–1934)

Désintégrations nucléaires Positon, nuclear power plants, atomic bombs Désintégration a Désintégration b Capture d’électrons Émission de positons

Réactions nucléaires fission nucléaire (décomposition des noyaux en noyaux plus petits: U-235, Pu-239) fusion nucléaire (fusions de deux noyaux: D et T) H bombe (fusion) Le soleil, un réacteur de fusion naturel Bombe atomique sur Nagasaki (fission Pu-239) Réacteur nucléaire (fission U-235 et Pu-239) Positon, nuclear power plants, atomic bombs

propriétés de la radiation nucléaire type degré de pénétration vitesse particule protection nécessaire exemple a bas (1) mais beaucoup de dégât 10% c 4-He2+ papier, la peau 226-Ra → 222-Rn + a b moyen (100) <90% c électron 3mm aluminium 3-H → 3-He + e g Haut (10 000) c photon béton,plomb 60-Co* → 60-Co + g b+ Moyen > 90% c positon 22-Na → 22-Ne + b+ p Moyen à bas 10 % c proton 53-Co →52-Fe + p n très haut < 10% c neutron 137-I → 136-I + n

Lesquels des nucléides sont instable Lesquels des nucléides sont instable? Quel type de désintégration préfèrent-ils? → consultez les tables d’isotopes (si disponible)! → essayez à prédire la décomposition préférée en utilisant la règle approximative de l’île de stabilité: les isotopes sur la ligne noir sont en générales stables les isotopes dans la région bleue (A > 2Z) ont une probabilité haute pour l’émission de type b dans la région rouge ( A > 2Z) radiation de type a est préféré les isotopes dans la région rose (A << 2Z) sont caractérisés par l’émission de positions ou la capture d’électrons

Notez bien: souvent une réaction nucléaire aboutit aux produits qui sont eux-même instables. Exemple: La série des décompositions nucléaire d’uranium-238.

La loi de désintégration radioactive L’activité A est définit par la vitesse de la décompositions ça veut dire par le nombre de désintégrations par second: N(t) = N0e-kt N0 : nombre des isotopes radioactifs au temps t0 (t = 0) k: constant de désintégration (s-1) La demi-vie t1/2 est le temps pour lequel la moitié des nucléides radioactifs sont décomposés. Add differential eq. N(t1/2) = 1/2 N0

Les demi-vies de quelques nucléides Add differential eq.

Les mesures d’activité compteur de scintillations compteur de Geiger Haute différence en potentiel (500-1200V) (Ar et ethanol)

Les applications en médecine tomographie par émission de positons (PET) (F-18, t 1/2 = 110 min) imagerie: 99mTc (g, t 1/2 = 6 h) buts thérapeutiques: 186Re, 188Re (b-, t 1/2 = 3.8 d) 131I (b-, t 1/2 = 8.05 d) 90Y (b-, t 1/2 = 64 h) 10B (a après bombardement de neutrons, t 1/2 = 8.05 d) pour déterminer l’age: C-14 (b, t 1/2 = 5.73 103 y) Lecture silencieuse Audition des mots Lecture à haute voix Formation des verbes Diagnostique, etudier et traiter Effrect on human ‘ionizing radiation’

Les unités de radiation Give example for rems /natural, x-ray,deadly dose), explicite names, mention for pharmaciens radioactivité naturelle: K-40 etc. (4.4kBq, 200mrem), radiation cosmique (27mrem) 1986 Cernobyl Cs-137, pendant les premiers 10 jours: 12 exa Bq (une billion de billion (1018) Becquerels)

Littérature supplémentaire pour chapitre II Atkins: Chimie. Molécules, Matière, métamorphoses : 1.3 L’atome nucléaire 1.4 Les isotopes 2.8-2.10 Mol et masse molaire 22: Chimie nucléaire Atkins: Chemical Principles, the Quest for Insight Fundamental B and E chapter 17: Nuclear Chemistry