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PHYSICO-CHIMIEdes MATERIAUX : 

PHYSICO-CHIMIEdes MATERIAUX Bruno Toulouse 2008-2009 09/05/2009 1 Louis de Broglie

L’ATOME : 

L’ATOME Introduction 1 - Les premiers modèles 2 – Masse atomique et masse moléculaire 3 – Modèle quantique 4 – Organisation électronique des atomes 5 - Les rayons atomiques 6 – La formation des ions 09/05/2009 2 Louis de Broglie

1 – Les premiers modèles : 

1 – Les premiers modèles Pour DALTON les atomes sont des particules simples infractionnables Fin du XIXème les atomes sont formés de particules chargées Mise en évidence par J PERRIN Le rapport e/m est constant par JJ THOMSON 1911 découverte du noyau atomique constitué de protons et de neutrons par RUTHERFORD 09/05/2009 Louis de Broglie 3

1 – Les premiers modèles : 

1 – Les premiers modèles Modèle de RUTHERFORD L’électron de masse me=9,110.10-31 Kg et de charge - e=-1,602.10-19C Le proton p de masse mp=1,6724.10-27 Kg et de charge e=+1,602.10-19C Le neutron n de masse mn=1,6747.10-27 Kg et de charge nulle Numéro atomique Z Nombre de masse A 09/05/2009 Louis de Broglie 4

1 – Les premiers modèles : 

1 – Les premiers modèles Modèle actuel : les quarks Quark up possède une charge de 2/3 e Quark down possède une charge de -1/3 e Le proton p est formé de 2 up et 1 down charge +e Le neutron n est formé de 1 up et 2 down charge 0 Modèle actuel : on peut reconstituer toute la matière de notre environnement avec Les Quarks up Les Quarks down L’électron 09/05/2009 Louis de Broglie 5

2 – Masse atomique et masse molaire : 

2 – Masse atomique et masse molaire Unité de masse atomique (u.m.a.) est le 1/12 de la masse d’un atome de carbone 12C a qui on a attribué la masse atomique relative de 12 uma. 1 uma = 1,660.10-27 Kg A l’échelle macroscopique on utilise la mole La mole : quantité de matière contenu dans 12g de 12C Nombre d’atome dans une mole = nombre d’Avogadro NA = 6,022.1023 par mole Masse molaire moléculaire est la masse d’une mole de molécule 09/05/2009 Louis de Broglie 6

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Le rayonnement électromagnétique est une forme de l’énergie, C’est une onde caractérisé par sa vitesse c et sa fréquence ? ou sa longueur d’onde ? L’échange d’énergie avec la matière se fait par Émission ou absorption Spectres discontinues de raies émis par les atomes comme H 09/05/2009 Louis de Broglie 7

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome 09/05/2009 Louis de Broglie 8

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’effet photoélectrique s’explique par la théorie de quanta de Max PLANCK et de Albert EINSTEIN Modèle de BOHR de l’atome L’énergie de l’atome est quantifié Pour un niveau d’énergie la trajectoire est stable Les changements de niveau se font par sauts discontinus En absence d’excitation extérieure l’électron se trouve sur le niveau le plus bas Ce modèle permet de calculer les valeurs permises des énergies E=A/n2 ou A est constant=13,6 eV et n est un entier ainsi que les distances noyau-électron 09/05/2009 Louis de Broglie 9

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’effet photoélectrique s’explique par la théorie de quanta de Max PLANCK et de Albert EINSTEIN. L’énergie ne peut être échangée que par des multiples entiers d’une quantité minimale d’énergie : le quantum 1 quantum (Photon) = h? en joules h constante de planck h=6,626068 × 10-34 m2 kg / s (J.s) Contradiction dans le modèle de RUTHERFORD l'électron, charge électrique accélérée, devrait selon la physique classique, rayonner de l'énergie et donc finir par s'écraser sur le noyau. 09/05/2009 Louis de Broglie 10

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Modèle de BOHR de l’atome L’énergie de l’atome est quantifié Pour un niveau d’énergie la trajectoire est stable Les changements de niveau se font par sauts discontinus En absence d’excitation extérieure l’électron se trouve sur le niveau le plus bas Ce modèle permet de calculer les valeurs permises des énergies E=A/n2 ou A est constant=13,6 eV et n est un entier ainsi que les distances noyau-électron 09/05/2009 Louis de Broglie 11

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L'atome d'hydrogène est modélisé par un électron de masse m tournant autour du proton. L'interaction entre ces deux particules est électrostatique : Le proton crée dans l’espace un champ électrique e0 est la permittivité du vide q est la charge du proton L’électron à une distance r est soumis à une force attractive Le système est stable la force attractive coulombienne est équilibrée par une force mécanique répulsive due au mouvement de l’électron en rotation autour du proton 09/05/2009 Louis de Broglie 12

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Le système est stable la force attractive coulombienne est équilibrée par une force mécanique répulsive due au mouvement de l’électron en rotation autour du proton On a D’ou 09/05/2009 Louis de Broglie 13

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Le système est stationnaire sur une orbite ce qui signifie que son énergie totale est constante égale énergie cinétique + énergie potentielle Or l’énergie cinétique 09/05/2009 Louis de Broglie 14

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’énergie potentielle en 1 point r est le travail de la force nécessaire pour amener l’électron de l’infini à r La force est attractive dirigée vers le proton soit l’énergie potentielle 09/05/2009 Louis de Broglie 15

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’énergie Totale du système l’énergie Totale est négative car il faut fournir de l’énergie au système 09/05/2009 Louis de Broglie 16

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Le moment cinétique de l’électron est quantifié Cette quantification a été confirmée par l’expérience de Franck et Hertz. L'intérêt de cette expérience est de montrer que la quantification n'est pas seulement dûe à la quantification de la lumière, mais bien à la quantification de l'orbite des électrons présents dans l'atome. ou n est un entier 09/05/2009 Louis de Broglie 17

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’énergie cinétique et r rayon de l’orbite est fonction de n 09/05/2009 Louis de Broglie 18

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome L’énergie totale soit 09/05/2009 Louis de Broglie 19

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Si un gaz d’électrons est excité, l’électron change d’orbite L’énergie totale du système augmente. L’électron retourne à l’état plus stable en perdant cette énergie en émettant un photon d’énergie égale à la différence des énergies du système 09/05/2009 Louis de Broglie 20

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome Finalement on obtient avec Ou RH est la constante de RYDBERG 09/05/2009 Louis de Broglie 21

3 – Modèle quantique de l’Atome : 

3 – Modèle quantique de l’Atome SERIE DE BALMER Pour n=1 E1=-13,6 ev et r1= 0,53.10-10m Pour n=2 E2=-3,40 ev et r2= 2,08.10-10m Pour n=3 E3=-1,51 ev et r3= 4,68.10-10m E2-E3=1,89ev Ha = 6562,8.10-10m Pour n=4 E4=-0,85 ev et r4= 8,32.10-10m E2-E4=2,5ev Hß = 4861,3.10-10m Pour n=5 E5=-0,54 ev et r5= 13.10-10m E2-E4=2,85ev H? = 4340,5.10-10m 09/05/2009 Louis de Broglie 22

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Nombres quantiquesL’état d’un électron dans un atome (c’est à dire son énergie et la géométrie de l’espace dans lequel il évolue) est défini par 4 paramètres qui sont les 4 nombres quantiques n, l, m, s.n : nombre quantique principal : il définit la couche électronique et prend les valeurs entières 1, 2, 3, 4, … correspondant aux couches K, L, M, N, …l : nombre quantique secondaire 0 ? l ? (n – 1) : il définit une sous-couche s, p, d, ou f.m : nombre quantique magnétique – l ? m ? + l : il définit une case quantique ou orbitale.s : nombre quantique de spin s = ? ½ il détermine le sens du mouvement de rotation propre de l’électron. 09/05/2009 Louis de Broglie 23

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Principe d’exclusion de PAULI Dans un atome il ne peut y avoir plus d’un électron décrit par un même ensemble de valeurs données aux 4 nombres quantiques n, l, m, s. Nombre maximum d’électrons dans une couche 2n2 09/05/2009 Louis de Broglie 24

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Configuration électronique d’un atome : C’est la façon dont les Z électrons sont distribués L’atome adopte l’état dans lequel son énergie Est minimum Règle de Klechkowski ordre dans lequel se remplissent Les niveaux d’énergie 09/05/2009 Louis de Broglie 25

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Configuration électronique d’un atome : 09/05/2009 Louis de Broglie 26

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Configuration électronique d’un atome : Règle de Hundt Les électrons se placent d’abord à raison de 1 par case et ne s’apparient en doublets que s’ils sont plus nombreux que les cases Les électrons de la couche n la plus élevée dans l’état fondamental jouent le rôle principal dans les réactions 09/05/2009 Louis de Broglie 27

4 – Organisation électronique des Atomes : 

4 – Organisation électronique des Atomes Niveau d ’énergie: Au-delà de Z=19 Le règle de n+l minimal doit être appliquée 09/05/2009 Louis de Broglie 28

5 – Les rayons atomiques : 

5 – Les rayons atomiques Un atome est surtout fait de vide Dans le modèle de BOHR de l’atome le rayon est celui de la plus grande trajectoire Dans le modèle quantique on ne connait que la probabilité de présence. Deux atomes peuvent se rapprocher d’une certaine distance. 09/05/2009 Louis de Broglie 29

5 – Les rayons atomiques : 

5 – Les rayons atomiques Rayon de Van der Walls d’un atome est la moitié de la distance minimale à laquelle peuvent s’approcher 2 atomes identiques quand ils ne se lient pas. H=0,12nm C=0,15nm O=0,14nm Rayon de Covalence d’un atome est la moitié de la distance entre les noyaux de deux atomes identiques liés dans une molécule du corps simple. H=0,037nm C=0,077nm O=0,066nm Longueur d’une liaison : longueur entre les centres de deux atomes unis dans une liaison chimique . 09/05/2009 Louis de Broglie 30

5 – Les rayons atomiques : 

5 – Les rayons atomiques Variation du rayon Sur une couche le rayon diminue quand Z augmente Augmentation brutale avec le changement de couche 09/05/2009 Louis de Broglie 31

5 – Les rayons atomiques : 

5 – Les rayons atomiques Variation du rayon due à trois facteurs 1 - Plus n est grand plus les électrons sont éloignés du noyau 2 – la force d’attraction exercée par le noyau sur les électrons augmente avec Z 3 – Les électrons des couches internes forment écran pour les électrons des couches périphériques La charge effective nucléaire est différente de Z (CNE) Pour le Zn ou Z=30 pour un e 4s on aura une CNE Z*=4,35 (au lieu de 30) pour un e 3d on aura une CNE Z*=8,85 (au lieu de 30) la force qui retient un e 4s est plus faible que pour un e 3d 09/05/2009 Louis de Broglie 32

6 – Formation des Ions : 

6 – Formation des Ions Un ion résulte de la perte ou du gain d’un ou de plusieurs électrons Un cation est chargé positivement Un anion est chargé négativement L’énergie de première ionisation augmente dans une couche avec Z Elle diminue brutalement en changeant de couche La formation d’un ion s’accompagne d’une forte variation du volume. Les électrons ajoutés se placent sur le plus bas niveau d’énergie inoccupée 09/05/2009 Louis de Broglie 33

6 – Formation des Ions : 

6 – Formation des Ions 09/05/2009 Louis de Broglie 34

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