Atomistique Christian Mathieu Bureau C006 christian.mathieu@univ-artois.fr Responsable de la licence professionnelle gestionnaire des déchets

Plan du cours L’atome La liaison chimique La structure de l’atome L’atome selon Bohr Introduction à la mécanique quantique L’atome à plusieurs électrons La classification périodique Propriétés des atomes La liaison chimique

Chimie Structurale

Molécule de polyéthylène Image STM du benzène Le diamant

I –La structure de l’atome L’atome est constitué d’un noyau et d’électrons Le noyau est lui-même constitué de nucléons ( protons et neutrons). Un atome est représenté de la façon suivante X est l’élément considéré Z est le nombre de proton = Numéro atomique A = Nombre de masse ( Z + nombre de proton) q = nombre de charge

Notion d’élément Un élément est caractérisé par son nom X et par son numéro atomique. Notion d’isotope Pour un numéro atomique donné, un isotope est caractérisé par son nombre de masse. Chaque isotope est un nucléide.

Un ion est une entité chargée anion (gain d’électrons) cation (perte d’électrons) Caractéristique de l’électron, proton et neutron

II- L’atome selon Bohr Les électrons qui gravitent autour du noyau ont des trajectoires bien spécifiques. Les électrons sont disposés en couches. Bohr a émis l’hypothèse que c’était des trajectoires circulaires. La couche K (n=1) peut contenir 2 électrons La couche L (n=2) peut contenir 8 électrons La couche M (n=3) peut contenir 18 électrons … Chaque électron se situant sur chaque couche a une énergie bien spécifique.

Comment calculer la valeur de l’énergie d’un niveau pour l’atome d’hydrogène? Chaque énergie se calcule de cette manière: On obtient une énergie en électron-volt (eV) Rappel: n: numéro de la couche (nombre quantique principal) En l’énergie des niveaux de l’électron.

Que se passe-t-il quand on apporte de l’énergie au système? Imaginons que l’on excite un gaz d’hydrogène par des courants électriques. L’électron gravitant autour du noyau va alors acquérir de l’énergie et va passer sur un niveau excité (du niveau n=1(niveau fondamental) au niveau n=3 par exemple). Apport d’énergie n=2 -3,4eV n=3 -1,51eV n=1 -13,6eV noyau électron

Spectre d’émission de l’hydrogène Il y a émission de lumière (retour vers un niveau inférieure ou absorption (déplacement vers un niveau supérieur

Comment déterminer la longueur d’onde du photon émis? Tout d’abord calculons l’énergie du photon émis: son énergie va être la différence entre l’énergie du niveau initial( n=3) et l’énergie du niveau final (n=1) Dans notre cas l’énergie du photon vaut: L’énergie doit être positive que ce soit pour une émission ou une absorption

Or nous savons aussi que l’énergie du photon peut s’écrire: Avec h=constante de Planck = la fréquence du photon (et oui c’est une onde) en Attention: on obtient l’énergie du photon en eV et h est en J… il faudra convertir une des deux valeurs. De plus on sait que: Donc la formule ci-dessus devient:

Ainsi dans notre cas la longueur d’onde du photon vaut:

On peut aussi déterminer l’énergie d’ionisation de l’hydrogène Énergie entre le niveau n = 1 et le niveau n = infinie L’énergie s’écrit donc Ei = Einfini – E1 = 0 – (-13.6) = 13.6 eV Ce modèle a été étendu aux hydrogénoides (ion à 1 électron) En = -13.6 Z2 / n2 En étudiant plus profondément l’atome et ses électrons on s’est rendu compte que l’organisation n’était pas aussi simple: dans les couches il y aurait des sous-couches, les trajectoires des électrons ne seraient pas si circulaires que ça…Ainsi est né la mécanique quantique.

III- Introduction à la mécanique quantique cette théorie dit schématiquement: on ne peut pas prédire exactement où se trouvera un électron à l’instant t, on ne pourra que le supposer; il s’agit d’une théorie probabiliste. Des nombres quantiques vont nous aider à déterminer « un volume » où on aura environ 95% de chance de trouver l’électron. Ces « volumes » seront appelés orbitales. Il existe quatre nombres quantiques: n: nombre quantique principal l: nombre quantique orbital m: nombre quantique magnétique s : nombre quantique de spin

Ex1 balle de tennis m = 50 g v = 50m/s et dV = 1 mm/s dx =2.1 10 -30 m Ex2 electron m = 9.1 10 -31 kg v = 10 6 m/s dx = 0.12 m taille de l’atome 1 angström = 1 10-10 m

Equation de schrödinger

Equation de schrödinger

Les nombres quantiques Case quantique

L’ensemble des électrons possédant le même n constitue une couche électronique Parmi les électrons possédant le même n, ceux qui possèdent le même l constitue une sous couche Parmi les électrons d’une même sous couche, ceux qui possèdent le même nombre m appartiennent à la même case quantique

Orbitale p Orbitale s Orbitale d Volume probabilité de 95 % de trouver l’é liaison

IV L’atome à plusieurs électrons L’organisation générales en niveau d’énergie est la même pour tous les atomes. On cherche à placer Z électrons (atome neutre) sur les différents niveaux Écriture de la configuration électronique Une couche n contient 2n2 électrons à placer Un niveau n contient n2 case quantique Une sous couche l contient 2l+1 case quantique Une case quantique correspond à une valeur de m Une case quantique ne peut contenir au maximum que deux électrons

Remplissage des couches Principe de l’énergie minimaleDans l’état fondamental, les électrons occupent les niveaux d’énergie minimale . L’ordre de remplissage se fait suivant les valeurs de (n+l) croissant. En cas d’égalité c’est celle qui posséde la plus petite valeur de n qui se remplit la premiére. 1s 2s 2p 3s3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d 7p 1 s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4 p 4d 4f 5s 5 p 5d 5f Regle de Klechkowski 6p 6d 6s 7s 7p

Exemples Ex du Fer: 26 électrons s p d K L M N 1 s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6

La couche de valence contient les électrons de la couche du nombre n le plus élevé (couche externe) souvent ns2 np6 règle de l’octet (très utile en chimie organique).

V La classification périodique Organisation Constitué de Bloc colonne famille ( même configuration terminale ex ns1) ligne couche

Classification périodique des éléments 11 16 17 18 1 2 3 4 10

La A

Les familles à connaître Colonne 1 alcalin Li, Na, Cs donne des cations monovalents Colonne 2 alcalino-terreux Be, Mg, Ca Ba donne des cations divalents Colonne 16 chalcogène Colonne 17 halogène F,Cl ,Br donne des anions monovalent Colonne 18 gaz noble Ne, Ar Xe règle de l’octet grande stabilité Famille élément de transition (plusieurs degrés d’oxydation)

Donne des cations

IV Les propriétés des atomes Rayon atomique Énergie d’ionisation Affinité électronique Electronégativité

V

A e e