Poly Atomistique

Download Poly Atomistique

Post on 01-Jan-2016

55 views

Category:

Documents

8 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<ul><li><p>X Squence 2</p><p>Atomistique</p><p>Plan du coursChapitre I - Quelques lments de structure de la matire - Polycopi</p><p>1 - Constituants de latome2 - Structure du noyau3 - Quelques dfinitions4 - Pour la culture personnelle</p><p>Chapitre II - Quantification de lnergie de latome</p><p>1 - Spectre de lhydrogne2 - Modle de Bohr (Hors programme)</p><p>Chapitre III - Structure lectronique de latome</p><p>1 - Aspects probabilistes2 - Les nombres quantiques3 - Rgles de structuration lectronique4 - Dernires dfinitions et exceptions</p><p>Chapitre IV - Structure lectronique des molcules</p><p>1 - Aspects probabilistes2 - La liaison de covalence3 - Msomrie4 - Gomtrie des molcules : thorie de Gillespie</p><p>Chapitre V - Classification priodique des lments - Polycopi partir du TP cours.</p><p>Documents complmentaires</p><p> TD datomistique ; Distribution du DM datomistique rendre pour le mercredi 10 octobre ; Lessentiel retenir en atomistique ; Fiche de colle.</p></li><li><p>Chapitre Atomistique I - MPSI 1 Lyce Chaptal - 2012</p><p>Quelques lments de structure de la matire</p><p>Ce chapitre introductif reprend un certain nombre dlments vus dans le secondaire et le complte avec quelquesnotions qui seront utiles en prpa. Le but de cette petite introduction est de donner quelques informations sur lastructure de latome an den prvoir les proprits.</p><p>I - Constituants de latome</p><p>La matire est discontinue, et on considre classiquement quelle est constitue datomes (aussi appel l-ment), eux-mmes composs dun noyau entour par des lectrons.</p><p> Les lectrons sont des particules trs lgres et charges ngativement. Ils sont nots e</p><p>Masse (e) = 9,1.1031 kg Charge(e) = - e = - 1,6.1019 C</p><p>e est appele charge lmentaire, cest une grandeur fondamentale en physique. Le noyau est constitu de nuclons, qui sont les neutrons n (neutres lectriquement) et les protons p(chargs positivement et portant la charge +e ). Dans un atome neutre, il y a donc autant de protons dansle noyau que dlectrons autour de celui-ci. Les neutrons et les protons font peu de choses prs la mmemasse (les neutrons sont un peu plus lourds) et celle-ci vaut 1800 fois celle dun lectron. Le noyau est doncbeaucoup plus lourd et on fait souvent lapproximation que les lectrons gravitent autour dun noyau FIXE,un peu comme lorsque lon considre que la Terre ne bouge pas et que la Lune tourne autour.</p><p>Masse(p/n) = 1,6.1027 kg Charge(p) = + e = +1,6.1019C Charge(n) = 0</p><p>Il faut connatre les valeurs des masses et charges de ces constituants !Souvent, on considre que les atomes gravitent autour du noyau avec une rpartition en couches (notes K pour</p><p>la premire - de Kern, le noyau, en allemand -, puis L, M, N ... ) et on parle de modle plantaire. On verra plusloin le modle quantique, dans lequel la notion de couche est remplace par celle dorbitale et correspond laprobabilit dy trouver un lectron. Enn, les lectrons situs sur la couche la plus extrieure (et, par extension,sur lorbitale la plus extrieure) sont appels lectrons de valence. Ils sont fondamentaux car ils sont responsablesdes liaisons chimiques, des comportements lectriques et par consquent des proprits chimiques des corps. Lachimie repose principalement sur ltude de ces lectrons de valence : combien sont-ils, sont-ils faciles arracher ounon ... Si un atome perd ou gagne un ou plusieurs lectrons, il y aura dsquilibre de charges et on aura un ion.</p><p>II - Structure du noyau</p><p>On donne la carte didentit dun lment en donnant son nombre de protons, not Z et appel numroatomique, et son nombre de nuclons, not A et appel nombre de masse. On en dduit alors le nombre deneutrons en calculant la quantit A-Z, et le nombres dlectrons qui est gal Z, car on suppose toujours, saufinformation supplmentaire, latome neutre. En gnral, N est suprieur Z (cela est important lors de ltude desdsintgrations nuclaires et de la stabilit des noyaux).Exemple : le carbone 14 146 C comprend un noyau de 6 protons et 8 neutrons, autour duquel gravitent 6 lectrons ;le carbone 12 126 C possde lui 6 neutrons seulement pour autant de protons. Le carbone 12 est plus stable, on ditque le carbone 14 est un isotope du carbone 12 (mme Z mais un A dirent). Les isotopes interviennent souventlors de ltude de ractions nuclaires, et sont en gnral minoritaires pour un lment x.</p><p>1</p></li><li><p>Chapitre Atomistique I</p><p>Deux lments sont dits isotones sils ont le mme N mais un A (donc un Z) dirent, et isobares sils ont unmme A mais un Z dirent.</p><p>Ordres de grandeur : un rayon atomique est de lordre du dixime de nanomtre, appel Angstrm et not :1 = 1010m. Un rayon de noyau mesure environ 1015m, appel femtomtre. On remarque donc que latomeest constitu dun trs petit noyau, un atome est donc essentiellement constitu de vide, avec des lectrons lgerstournant autour dun petit noyau trs dense. On laisse le soin au lecteur de vrier que, pour un modle sphriqueet une dizaine de nuclons, on a une densit denviron 4.1018 kg.m3, ce qui gigantesque !</p><p>III - Quelques dnitions</p><p> La mole est la quantit de matire contenant autant datomes que ceux prsents dans 12g de carbone 12. Cettequantit est appele nombre dAvogadro et vaut NA = 6, 02.1023 mol1. Attention donc, cest une grandeurdimensionne !</p><p> Lunit de masse atomique (uma) est une unit de masse utilise en atomistique car plus adapte lchelle atomique. Celle-ci vaut un douzime de la masse dun atome de carbone 12. Puisquun atome de carbone12 possde 12 nuclons et que ceux-ci sont peu prs de mme masse et constituent lessentiel de la masse delatome, cest donc grosso modo la masse dun nuclon. On a ainsi 1 uma = 1/NA = 1, 66.1027 kg. En eet, lamasse dun douzime de mole de carbone est de 1g donc celle dun nuclon de 1/NA. On retiendra galement laformule pratique donnant la masse dun atome de nombre de masse A : matome A uma qui se rvle parfois bienpratique (en gros, la masse dun atome est gale son nombre de masse en uma !) et par consquent</p><p>La masse molaire est environ gale au nombre de masse en g.mol1.</p><p>Par exemple, le nombre de masse de loxygne est de 16, on en dduit que la masse molaire de loxygne estdenviron 16 g.mol1.Remarque : la masse molaire dun lment X est gale en fait la moyenne des masses de X et de ses isotopes :on parle de mlange isotopique. Cest pour cela que la masse molaire nest jamais entire. Par exemple, dans lanature, 98,9% du carbone est du carbone 12, 1,1% du carbone 13 et le reste (des traces) du carbone 14.</p><p> Llectron-volt eV est une autre unit, de charge cette fois-ci, adapte lchelle atomique. Cest lnergielectrique dun lectron soumis une dirence de potentiel de un volt, soit puisque E=qV :</p><p>1 eV = 1,6.1019 J</p><p> Un lectron est dit excit sil a reu de lnergie. Celui-ci doit alors, pour retrouver sa stabilit, perdre cettenergie et la restituer, souvent sous forme de photons dnergie :</p><p>E = hf o h = 6, 6.1034 J.s est la constante de Planck et f la frquence du photon.</p><p>Cest la relation de DE BROGLIE (qui se prononce fort intuitivement De Breuille ).Par exemple, lionisation est un cas particulier dexcitation dans laquelle on a donn tellement dnergie </p><p>llectron que celui-ci a t arrach de latome. Un tel phnomne de dsexcitation saccompagne donc dmissionde photons lumineux dont la frquence permet de savoir quelle nergie a t change. Ltude de ces rayonnementslectromagntiques est dune importance norme en physique et dans dautres domaines (principalement en imageriemdicale, en chimie, ...)</p><p>2</p></li><li><p>Chapitre Atomistique I - MPSI 1 Lyce Chaptal - 2012</p><p>IV - Pour la culture personnelle</p><p>Exprimentalement, on constate que la masse du noyau nest pas gale, comme on pourrait sy attendre, lasomme des masses des nuclons, cest--dire que lon a mp Z +mn (A Z) &gt; mnoyau. On sait aujourdhui que cedfaut de masse correspond lnergie quil faut pour assurer la cohsion du noyau. En eet, Einstein a tablique la masse m et lnergie E taient proportionnelles selon</p><p>E = mc2</p><p>par lintermdiaire du carr de la vitesse de la lumire dans le vide. On peut donc associer la dirence de massedu noyau un quivalent nergtique !</p><p>On sait aussi que les atomes les plus stables sont ceux de numros atomiques intermdiaires. Les noyaux detels lments ncessitent moins dnergie pour assurer leur cohsion (voir courbe ci-dessous, dite courbe dAston 1).Ainsi, lorsque de gros atomes se ssionnent, cest--dire quils se fractionnent en deux parties ou plus, ils seforment des atomes intermdiaires qui ont de lnergie en excs puisquils sont plus stables : on rcupre donc delnergie ! Si de tout petits atomes fusionnent (au sens propre du terme), on rcupre galement de lnergie. Cestce phnomne commun qui explique lutilisation dj commerciale de la ssion nuclaire et on espre rapidementde la fusion nuclaire (cette dernire promettant une source dnergie presque inpuisable et trs peu de dchetsnuclaires, au contraire des centrales ssion actuelles).</p><p>Courbe dAston</p><p>1. Qui donne lnergie moyenne par nuclon en MeV en fonction du nombre de nuclons dans le noyau A</p><p>3</p></li><li><p>TP Chimie - volution des proprits chimiques dans la classication priodique - MPSI 1 Lyce Chaptal - 2012</p><p>volution des proprits chimiques dans la classication priodique</p><p>Le but de ce TP-cours est dillustrer sur quelques exemples les similitudes chimiques pour les lments dunemme colonne (cest--dire dune mme famille chimique) et lvolution des proprits chimiques dans une mmeligne ou dans une mme colonne.</p><p>I - Un peu dhistoire</p><p>On attribue en gnral la classication priodique Dmitri Mendeleev, mais elle est le fruit dune lente volutionet de nombreuses contributions depuis les premiers travaux de Lavoisier. Dailleurs, comme on va le voir, la vritableclassication de Mendeleev tait incomplte !</p><p>1700 - 12 corps simples sont isols et connus : (Antimoine Sb, argent Ag, arsenic As, carbone C, cuivre Cu,tain Sn, fer Fe, mercure Hg, or Au, phosphore P, plomb Pb et soufre S).</p><p>1808 - Langlais Humphry Davy rvle des proprits communes au calcium Ca, au strontium Sr et au baryumBa.</p><p>1818 - Le mme Davy trouve des proprits communes au lithium Li, au sodium Na et au potassium K.1850 - 60 corps simples sont connus.1860 - Premier classement des lments : ceux-ci sont classs par masse atomique croissante.1862 - Le franais De Chancourtois met en vidence une certaine priodicit du classement prcdent quil</p><p>reprsente par une vis tellurique.1864 - J.A. Newlands propose une priodicit de priode 8 et parle de familles chimiques (par exemple les</p><p>alcalins). Il utilise la rgle de loctave (terme musical). Il propose le N1 poue le lithium, et le 8 pour le sodium ;ou N1 pour le sodium et N8 pour le potassium, etc.</p><p>1869 - Mendeleev propose sa classication qui apporte deux grandes ides : dune part, regrouper dans unemme colonne les lments possdant des proprits communes en laissant si besoin certaines cases vides,et dautre part en inversant certains lments de lancienne classication, cest--dire ne plus classer syst-matiquement les lments en fonction de leur masse atomique. Si on regarde la classication actuelle, onpeut ainsi remarquer les irrgularits argon/potassium, cobalt/nickel, mais surtout iode/tellure qui ft le principalamnagement de Mendeleev. Mendeleev tait tellement persuad de la justesse de ses vues quil dclara que lescases vides trouveraient tt ou tard un locataire . Cependant, une de ses insusances - mais quil ne pouvaitdeviner lpoque - tait labsence de la colonne des gaz rares. Aujourdhui, la classication est fonde sur lenombre croissant de protons, et non plus sur la masse atomique.</p><p>1895 - Ramsay dcouvre les deux premiers gaz rares, hlium He et argon Ar, ce qui tempre lenthousiasme despartisans de Mendeleev. Cependant, Ramsay propose dajouter une colonne, en dclarant que si Mendeleev a vujuste, les cases vides de cette nouvelle colonne trouveraient galement des occupants. Ce mme Ramsay dcouvrirapeu aprs le krypton Kr et le xnon Xe, ce qui conrmera de faon splendide les ides de Mendeleev.</p><p>Au fur et mesure, les nouveaux lments dcouverts trouvent leur place dans le tableau, avec les propritsprvues par la classication ! Il y aura une dernire volution avec la dcouverte des lanthanides et actinides,qui trouveront place dans deux nouvelles lignes mises part pour conserver une certaine compacit au tableau.Aujourdhui, les les cases sont pleines pour tous les lments naturels (jusqu Z=92 pour luranium). Leslments suivants sont tous articiels et sont appels transuraniens.</p><p>1</p></li><li><p>TP Chimie - volution des proprits chimiques dans la classication priodique</p><p>II - Structure de Klechkovski</p><p>Rappels Corps pur : Corps constitu dun seul type de constituants (contraire : MLANGE) Corps pur simple : Corps constitu dun seul type datomes (Cu, H2, ...) Corps pur compos : Corps constitu dun seul type de molcules (H2O, NaC, ...)Remplissage selon Klechkovski : 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f145d106p65p67s25f146d107p6 ...Premire colonne en ns1 (sauf hydrogne) : ALCALINSDeuxime colonne en ns2 : ALCALINO TERREUXAntpnultime (16me) colonne en np4 : CHALCOGENESAvant-dernire (17me) colonne en np5 : HALOGENESDernire (18me) colonne en np6 : GAZ RARES ou NOBLES</p><p>2</p></li><li><p>TP Chimie - volution des proprits chimiques dans la classication priodique - MPSI 1 Lyce Chaptal - 2012</p><p>III - Proprits chimiques de quelques familles dlments</p><p>Dnition : Un lment mtallique possde plusieurs proprits : il est pur ltat solide, et possde alors un caractre rducteur ; il est bon conducteur de chaleur et dlctricit ; il donne des cations ; il possde des sous-couches n et p peu ou pas remplies (ns2np2 au maximum) ; il est plutt peu lectrongatif ; il donne au moins un oxyde basique.</p><p>De par ses proprits, les mtaux regroupent donc tous les lments des blocs s, d et f (sauf lhydrogne), et leslments les plus en bas gauche du bloc p. La frontire nest cependant pas toujours trs nette, certains lmentssont mme appels mtallodes ou semi-mtaux, car ils ont un comportement intermdiaire : cest le cas du BoreB, Silicium Si, Arsenic As, Germanium Ge, Antimoine Sb, Tellure Te, voire Aluminium Al, Gallium Ga et EtainSn. On trouve ainsi les semi-conducteurs.</p><p>A. Famille des gaz nobles (dernire - ou 18me - colonne)</p><p>Hlium He - Non Ne - Argon Ar - Krypton Kr - Xnon Xe - Radon Rn</p><p>On les nomme aussi gaz rares ou gaz inertes. Ils ont une conguration lectronique en np6 et ont t mis envidence trs tard car ils sont diciles isoler. Ils sont la base de nos futurs raisonnements car, tant saturs,ils sont TRES STABLES : ils respectent en eet naturellement la rgle du duet, de loctet ou des 18 lectrons !Les direntes proprits de tous les lments dcoulent ainsi plus ou moins directement de celles de ces gaz .On les appelle gaz car ils se trouvent, dans les CNTP (conditions normales de temprature et pression) sous formegazeuse.</p><p>De par leur saturation, ces lments ne forment pas de liaisons covalentes : ils se trouvent donc ltat de corpssimples monoatomiques, et ils ne ragissent pas avec les autres espces chimiques : ON DIT QUE LES GAZRARES SONT INERTES CHIMIQUEMENT.</p><p>B. Famille des alcalins (premire colonne)</p><p>Lithium Li - Sodium Na - Potassium K - Rubidium Rb - Csium Cs</p><p>Ce sont des mtaux avec une bonne conductivit lectrique et thermique. Ils ont une conguration lectroniqueen ns1, ils perdent donc facilement leur lectron de valence pour rejoindre la struc...</p></li></ul>