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1 CHIMIE GENERALE J. GOLEBIOWSKI --PCEM1-- www.unice.fr/lasi/pagesperso/golebio

1 CHIMIE GENERALE J. GOLEBIOWSKI --PCEM1-- www.unice.fr/lasi/pagesperso/golebiowski/cours.htm ouvrages de références : Paul Arnaud : Cours de Chimie Physique Université en ligne : www.unice.fr/uel 2 CHAPITRE I. Structure de l’atome Objectifs : ●Connaître le principe de la mécanique quantique ●Définir l’absorption et l’émission de quanta ●Connaître les niveaux d’énergie des électrons dans l’atome 3 Electromagnétisme • Le rayonnement électromagnétique est une forme d’énergie, que l’on peut caractériser comme un phénomène vibratoire. Il est représenté par : sa vitesse c, en m.s-1 sa fréquence , en Hz (ou /s ou s-1) sa longueur d’onde , en m c= 4 Interaction rayonnement / matière • Ce type de rayonnement est observé expérimentalement depuis la matière, sous deux formes: Emission. (production) tube au néon, fer chauffé « à blanc », antennes TV Absorption. échauffement d’un corps, radiographie X (squelette) 5 Interaction rayonnement / matière • Le tracé de la fréquence en fonction de l ’intensité (force) du rayonnement peut être un spectre continu ou discontinu (ou de raies).   intensité intensité Ex. arc en ciel Ex. radio FM 6 Interaction rayonnement / matière • Lles atomes émettent un spectre discontinu (de raies), lors de leur excitation : Chauffage par ex. • A chaque atome ou élément chimique, correspond un spectre de raies à des longueurs d’onde bien définies (quantifiées). Ex: Les sels de sodium chauffés produisent une lumière jaune, les sels de potassium émettent dans le violet les sels de baryum dans le vert clair. 7 Objectif • Expliquer ce type de rayonnement Pourquoi est-il discontinu ? Pourquoi est-il unique pour chaque élément ? Comment peut-on le prévoir ? QU’EST-CE QU’UN ATOME ? 8 La notion de quanta • La théorie des quanta : l’échange d’énergie entre la matière et un rayonnement électromagnétique ne peut avoir lieu que via des quantités définies. Ces quantités sont des multiples d’une quantité d ’énergie minimale, appelée « QUANTUM » 9 L’énergie est discontinue • L’énergie et la matière sont donc discontinues. • Un rayonnement peut alors être caractérisé par un flux de particules ayant des énergies quantifiées, les « PHOTONS ». Energie d’un photon ou d’un quanta: E = h h : constante de Planck : 6,626.10-34 J.s 10 E = h • Si un atome absorbe une énergie par un rayonnement de fréquence , son énergie augmente de Eabsorbée = h. • Mais les atomes absorbent l’énergie selon des valeurs bien définies, quantifiées. 11 Qu’est-ce qu’un atome ? • Atome Centré sur son noyau, considéré comme fixe Contient des protons (q = +1) et des neutrons (q = 0) Des électrons (q= -1) « gravitent autour du noyau » 12 Z AX q X : élément considéré Z : nombre de protons (et d’électrons) numéro atomique N : nombre de neutrons A : nombre de masse (A = Z + N) q : nombre de charges Notations 13 Notions d’élément • Caractérisé par son nom (X) ou son numéro atomique (Z) C (carbone) est l’élément 12 • Un isotope à un nombre de neutrons différent. 14C à deux neutrons de plus que 12C • Un ion est une entité chargée, on distingue les cations : chargés positivement (perte d’électron) les anions : chargés négativement (gain d’électron) 14 Modèle quantique de l’atome Un électron d'énergie E et de quantité de mouvement p (p = m.v) est associé à un phénomène ondulatoire appelé onde de De Broglie, représenté par analogie avec une onde électromagnétique: 15 Fonction d’onde La « fonction d’onde » dépendant du temps t et de la position de la particule. A un instant t, la fonction décrit le comportement oiu la trajectoire de l'électron et contient son énergie et sa masse. 16 Dualité onde / corpuscule • de Broglie, Planck, Einstein • Le champ électromagnétique (ondulatoire selon la conception classique) manifeste dans certaines conditions une nature corpusculaire (photon) : lumière = photon • Les électrons, a priori de nature corpusculaire, peuvent produire des effets typiques d'une nature ondulatoire (onde): électron = onde 17 Dualité onde / corpuscule • A toute particule corpusculaire de masse m et de vitesse v, peut être associée une onde de matière de longueur d’onde , telle que : •  = h /mv • La longueur d'onde est appelée longueur d'onde de de Broglie 18 L’atome quantique • Le ou les électrons sont définis par des fonctions d’ondes  pas de signification physique, juste une fonction mathématique.  associée à Energie Energie des électrons dans l’atome E = 0 E1 E4 E3 E2 En Niveaux quantifiés de l’énergie 19 Equation de Schrödinger • H.= E. H est un opérateur mathématique (Hamiltonien) qui, appliqué à , renvoie les niveaux d’énergie E accessibles à un ou des électrons. Résolution de cette équation : 4 paramètres : n,l,m,s permettent la description du système électronique dans un atome. (n,l,m,s). Les niveaux d’énergie sont quantifiés E(n,l,m,s). Les valeurs d’énergie dans l’atome sont négatives 20 Conséquences de la quantification 1/ les électrons se positionnent de préférence sur les niveaux les plus bas 2/ ils ne passent d’un niveau à l’autre que si l’énergie donnée est suffisante transition électronique quantifiée 3/ lors de la transition, l’électron donne ou reçoit l’équivalent de la différence d’énergie entre les deux niveaux Edépart et Earrivée 21 L’atome d’hydrogène • Cas le plus simple, car un seul électron les 4 paramètres se réduisent à un seul : n • En l’absence d’action extérieure, l’électron se trouve sur le niveau le plus bas : l’état FONDAMENTAL, sinon on parle d’état EXCITE E = 0 E4 E3 E2 E1 un seul électron État fondamental ÉtatS excitéS 22 Transitions dans l’atome • Lors des transitions, l’échange d’énergie à lieu sous forme d’onde électromagnétique (photons) • Excitation E1  En nécessite au moins E = En - E1 Le système redescend ensuite spontanément vers E1, en EMETTANT E = En - E1 = h : spectre d’émission quantifié 23 Exemples de transition E = 0 E4 E3 E2 E1 E = h n photon E = 0 E4 E3 E2 E1 État fond. État excité : instable 1/ABSORPTION E4 E3 E2 2/EMISSION quantifiée E n h E1 photon État fond. E = 0 émission 24 Extension aux hydrogénoïdes • Si 1 seul e- formule empirique permettant de retrouver les valeurs des énergies sans résoudre H=E En = - K . Z²/n² Z : N° atomique, n : niveau d’énergie de l’e- dans l’atome K : = Rh.h.c: constante (13,6 eV ou 2,179.10-18 J) 25 Hydrogénoïdes • Niveaux d’énergie E -K.Z² -K.Z²/4 -K.Z²/16 -K.Z²/9 -K.Z²/ = 0 n= n=4 n=3 n=2 n=1 fondamental excités ETAT IONISE électron à l’infini du noyau H : Z = 1 He+ : Z = 2 Li2+ : Z = 3 ... Excitation 13 dans He+ E = E3-E1 = -K.2²/9 - K.2² = -K.2² (1/9 - 1) = 48,36 eV = 7,75.10-18 J sous forme de photon (lumière)... E = hhc = E (Joules !)/h (J.s) = 1,17.1016 Hz  = c/ = 2,56 10-8 m (UV) 26 A retenir • Les électrons sont des particules quantiques Ils ont des énergies quantifiées dans les atomes Ils peuvent être représentés par des fonctions d’onde, définies par 4 paramètres, ou nombres quantiques Le passage d’un niveau d’énergie à un autre peut se faire par absorption (augmentation de l’énergie) ou par émission (descente en énergie) d’une onde électromagnétique (photon) E = h = hc/ = E dans l’atome 27 A retenir • Si un seul e- : hydrogénoïde Formule empirique donnant les n niveaux d’énergie dans l’atome En = -K.Z²/n² K = 13,6 eV ou 2,179.10-18 J 28 Systèmes polyélectroniques • L’état d’un e- dans un atome est défini par 4 nombres quantiques, • Les valeurs de ces nombres sont liées les unes aux autres n : principal n > 1 énergie l : secondaire ou azimutal 0 < l  n-1 forme m : magnétique -l  m  +l direction s : spin +1/2 ou -1/2 29 Le nuage électronique • Les e- sont définies comme des ondes Ils ne dont pas parfaitement localisables dans l’espace • la résolution de H=E mène à des orbitales atomiques Elles ont des formes et des énergies différents Représentées par les 4 nombres quantiques 30 n • Définit le niveau d’énergie ou couche principale (En) n = 1, 2, 3, 4, 5, 6…. En n=1 n=2 n=3 n=4 0 eV Couche N K L M 31 l Définit la forme de l’espace dans laquelle on trouve l ’e- Définit le sous-niveau ou la sous-couche d’un niveau d’énergie n (0 < l  n-1) l = 0, s l = 1, p l = 2, d l = 3, f En n=1 : l = 0 : 1s n=2 : l = 0 ou 1 : 2s 2p n=3 : l = 0 ou 1 ou 2 : 3s 3p 3d n=4 4s 4p 4d 4f 0 eV 32 m • Définit la direction dans l’espace de la forme dans laquelle se trouve un e- si l = 0 alors m = 0 : pas de uploads/Finance/ chimie-generale-pcem1.pdf