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PCSI 1 Structure de l’atome et classification périodique S. Falcou 2013-2014 Ar

PCSI 1 Structure de l’atome et classification périodique S. Falcou 2013-2014 Architecture de la matière 1 Structure de l’atome et classification périodique La compréhension des réactions chimiques nécessite de connaître la structure de la matière (atomes, molécules, ions, cristaux). Le composant de base de la matière est l’atome. Nous allons donc dans ce chapitre en étudier la structure et voir une classification de l’ensemble des atomes permettant une vision globale et rationnelle des atomes et de leurs propriétés. I- L’atome. p. 2 1- Définitions de base et ordre de grandeur. p. 2 2- Eléments chimiques et isotopes. p. 3 II- Quantification de l’énergie des atomes. p. 5 1- Onde électromagnétique, absorption et émission. p. 5 2- Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène. p. 8 3- Energie de l’hydrogène et des hydrogénoïdes. p. 10 III- Configuration électronique d’un atome. p. 12 1- Nombres quantiques. p. 12 2- Règles de remplissage des OA. p. 13 3- Applications, particularités, exceptions. p. 16 4- Electrons de cœur et de valence. p. 19 IV- Classification périodique. p. 20 1- L’idée de Mendeleiev. p. 20 2- La structure du tableau actuel. p. 20 3- Remplissage du tableau. p. 21 4- Quelques familles. p. 22 a. Les alcalins. p. 23 b. Les halogènes. p. 23 a. Les gaz nobles. p. 23 a. Les éléments de transition. p. 24 V- Evolution de quelques propriétés au sein de la classification périodique. p. 25 1- L’électronégativité. p. 25 2- Rayon atomique, rayon ionique p. 27 a. Hydrogène et hydrogénoïdes. p. 27 b. Le modèle de Slater : atomes polyélectroniques. p. 27 PCSI 1 Structure de l’atome et classification périodique S. Falcou 2013-2014 Architecture de la matière 2 I- L’atome. 1- Définition de base et ordres de grandeurs. L’atome est neutre et est composé de : Z protons de charge +e et de masse mp = 1,6726.10-27 kg (A-Z) neutrons neutres de masse mn = 1,6749.10-27 kg Z électrons de charge -e et de masse me = 9,1095.10-31 kg Z est le nombre de charge A est le nombre de masse e est la charge élémentaire valant 1,6.10-19 C La mole est la quantité de matière d’un système contenant autant d’entités élémentaires qu’il y a d’atomes dans 12 g de carbone 12. Cela correspond au nombre d’Avogadro : NA = 6,023.1023 On définit aussi le Faraday, charge d’une mole de charges élémentaires : 23 19 1. . 6,023.10 1,6.10 96400. A F N e C      L’unité de masse atomique (u) est la fraction 1/12 de la masse d’un atome de carbone 12 : 1 u = 12/(12.NA) = 1,6606.10-27 kg C’est un peu moins que la masse d’un nucléon seul, du fait de la fameuse formule d’Einstein E = mc2, justifiant l’énergie nucléaire obtenue par fission des atomes lourds ou par fusion des atomes légers. L’énergie de cohésion des nucléons dans le noyau correspond à une perte de masse du système des nucléons séparés. Les nucléons (protons et neutrons) forment le noyau de l’atome dont le rayon est voisin de 10-14 m. Les électrons gravitent autour du noyau, dans des nuages électroniques, et forment le cortège électronique. Le rayon moyen de l’ensemble est voisin de 10-10 m (1 angström). Les atomes sont donc essentiellement constitués de vide. Pour s’en rendre compte, si la Terre (RT = 6400 km) était un noyau, les limites de l’atome correspondant seraient à environ 200 fois la distance Terre Lune (d = 300 000 km). Le mouvement des électrons est indéterminé, seule une probabilité de présence est connue. PCSI 1 Structure de l’atome et classification périodique S. Falcou 2013-2014 Architecture de la matière 3 Les électrons (me = 9,1095.10-31 kg) sont 1000 fois plus légers que les nucléons (m = 1,67.10-27 kg), ainsi le mouvement des électrons a peu d’influence sur le mouvement du noyau. Par ailleurs, pour le calcul de la masse d’un atome, on ne tiendra compte que de la masse du noyau : matome  Z mp + (A-Z) mn + Z me  Z mp + (A-Z) mn matome  A mp Ceci explique l’appellation nombre de masse pour A. De plus, NAxmp  1 g, donc la masse atomique molaire est à peu près égale à A en g.mol-1. Puissances de 10 couramment utilisées au niveau microscopique : le fermi (f) 10-15 le pico (p) 10-12 le nano (n) 10-9 le micro () 10-6 2- Eléments chimiques et isotopes. Z définit un élément chimique A et Z définissent un nucléïde Deux nucléides d’un même élément chimique sont des isotopes caractérisés, par un même Z et un A différent Un atome (nucléide) est symbolisé de la façon suivante : X A Z où X est le symbole correspondant à l’élément chimique. Il y a plus d’une centaine d’éléments chimiques dont 92 sont naturels et environ 1500 nucléïdes dont 300 sont naturels. L'uranium est l'élément le plus lourd, présent sur Terre à l'état naturel avec 92 protons. Pour l’élément hydrogène, il existe trois isotopes : 1 1 2 1 3 1 H H D H T   Dans le cas particulier de l’élément hydrogène, il a été donné un nom propre à chaque isotope, le deutérium pour l’hydrogène 2, non radioactif, et le tritium pour l’hydrogène 3 radioactif. Pour les isotopes des autres éléments, il n’y a pas de nom particulier, et on utilise le nom de l’élément suivi du nombre de masse. Par exemple pour l’élément carbone, l’isotope le plus courant est le carbone 12 mais il existe aussi le carbone 13 et le carbone 14 radioactif utilisé pour la datation, d’objets préhistoriques. PCSI 1 Structure de l’atome et classification périodique S. Falcou 2013-2014 Architecture de la matière 4 Les proportions des isotopes dont la nature sont caractérisées par les fractions molaires calculée par rapport à l'élément et sont appelées abondances isotopiques naturelles. H : 99,985 % D : 0,015 % T : traces < 10-4 % 12C : 98,89 % 13C : 1,11 % 14C : traces 35Cl : 75,8 % 37Cl : 24,2 % Lorsque le nombre de protons dans le noyau augmente, la répulsion électrostatique finit par l'emporter sur l'interaction forte, assurant la cohésion des nucléons au sein du noyau. La stabilité des noyaux lourds nécessite un ratio N/Z plus grand que pour les noyaux plus légers. On peut donc distinguer deux catégories de noyaux : * les noyaux stables qui correspondent à N = Z pour les noyaux légers (Z < 20) et à N ≥ Z pour les autres noyaux. * les noyaux instables radioactifs qui se transforment et tendent à revenir vers leur zone de stabilité : noyau léger avec N > Z : émission - noyau léger avec N < Z : émission + noyau lourd : émission  Plus le nombre des nucléons est important, plus l’atome est considéré comme « lourd ». Au-delà de 92 protons, les atomes sont généralement très instables et ne peuvent exister que pendant des temps très courts. Cependant, la théorie prédit un « îlot de stabilité » pour des atomes constitués d'un nombre de protons bien supérieur à ceux de l'uranium. Différentes expériences dans plusieurs pays cherchent à créer des éléments de plus en plus massifs pour atteindre cet îlot de stabilité. L'élément le plus lourd synthétisé à ce jour possède 118 protons. Les éléments dits "super-lourds" (comportant plus de 110 protons) sont généralement formés par réactions de fusion entre deux noyaux plus légers. Une des principales difficultés, rencontrées au cours de ces tentatives de synthèse d'éléments super-lourds provient de l'excitation générée inévitablement lors de leur formation par fusion. Or ces noyaux deviennent extrêmement instables lorsqu'ils sont excités et fissionnent en deux noyaux plus légers bien avant d'atteindre un détecteur qui permettrait leur observation directe. À cause de cette grande instabilité générée lors de la fusion, la possibilité de former de tels noyaux par cette méthode était jusqu'à présent très incertaine. Une approche originale permettant de mettre en évidence l'existence de ces éléments super-lourds et leur stabilité a été développée au GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourds, (CEA/CNRS), France) dans le cadre d'une collaboration entre différents laboratoires : au lieu de détecter le noyau composé super-lourd, c'est le temps mis par ce noyau pour fissionner qui a été mesuré. Des événements de fission à des temps supérieurs à 10-18 s (un milliardième de milliardième de seconde) ont été observés pour des noyaux constitués de 120 et 124 protons. Ces noyaux ont été formés par bombardement de cibles de nickel Ni et de germanium Ge par des ions d'uranium U accélérés par le GANIL. Ils ont été identifiés grâce à Indra, un détecteur de noyaux et particules chargées couvrant quasiment tout l'espace autour des cibles. Ce temps de 10-18 s est certes très court, mais à l'échelle des temps de vie nucléaires il est suffisamment long pour signer sans ambiguïté la formation des éléments de 120 et 124 protons et pour leur attribuer une grande stabilité vis-à-vis de la fission lorsqu'ils ne sont pas excités. Ces résultats ouvrent des perspectives nouvelles dans la course uploads/Ingenierie_Lourd/ 1-atome-2015-pdf.pdf