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T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 1 L1 - CHIM 110 - “ATOMES ET MOLECULES” Cours de Th

T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 1 L1 - CHIM 110 - “ATOMES ET MOLECULES” Cours de Thierry BRIERE PREMIERE PARTIES : LES ATOMES Chapitre 1 : Structure de la matière Cette page est mise à disposition sous un contrat Creative Commons. Vous pouvez l’utiliser à des fins pédagogiques et NON COMMERCIALES, sous certaines réserves dont la citation obligatoire du nom de son auteur et l’adresse http://www2.univ-reunion/~briere de son site d’origine pour que vos étudiants puissent y accéder. Merci par avance de respecter ces consignes. Voir contrat… T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 2 QUELQUES QUELQUES NOTIONS NOTIONS SUR LA STRUCTURE DE LA MATIERE SUR LA STRUCTURE DE LA MATIERE Chapitre 1 Z > 83 α N Excès de protons β+ Excès de neutrons β- Zone de stabilité 20 40 60 80 100 50 10 0 15 0 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 3 Particule symbole Masse Charge électrique Proton p+ 1,6724 10-27 kg 1,60219 10-19 C Neutron n0 1,6747 10-27 kg Electron e- 9,110 10-31 kg -1,60219 10-19 C Quelques propriétés physiques On voit que le proton et le neutron ont des masses sensiblement identiques : mp = mn = 1,67 10-27 kg. Les particules élémentaires Ces particules fondamentales ont été découvertes entre 1875 et 1910, ce sont : Le Proton, le Neutron et l’Electron. Trois particules élémentaires de très petites dimensions composent toute la matière de l’Univers, avec ces trois briques fondamentales on peut « construire » tous les éléments qui existent. L’électron est une particule beaucoup plus légère, sa masse est approximativement 2000 fois plus faible que celle du proton ou du neutron (mp/me = 1833). T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 4 Définition L ’ATOME En réalité l’atome n’est pas indivisible puisque comme nous venons de le voir, il est constitué des particules fondamentales Protons, Neutrons et Electrons. Atome (du grec atomos, “indivisible”), particule, constituant essentiel de la matière caractéristique d'un élément chimique. L'étymologie grecque du mot “atome” souligne le caractère indivisible de cette “particule fondamentale”, qui était considérée comme indestructible. Nous considérerons l’atome comme la plus petite particule d’un élément déterminé qui puisse exister. Cette définition reste toutefois valable car s’il est possible de détruire un atome d’un élément quelconque pour obtenir les particules élémentaires qui le composent, l’élément lui-même est détruit au cours de cette opération. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 5 Diamètre de l'atome : 2 10-10 m NOYAU Z protons N neutrons Rayon : 10-14 m Cortège électronique Z électrons gravitant autour du noyau (pour un atome neutre) Représentation symbolique d'un atome (modèle planétaire) Si l'échelle était respectée la taille de l'atome, de l'ordre de grandeur de l'Angström l'Angström(10-10 m) devrait être 10000 fois plus grande que celle du noyau (10-14 m). Orbites électroniques T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 6 La Mole : unité de quantité de matière La taille minuscule des atomes et leur masse extrêmement faible fait qu'il y a toujours un nombre énorme d'atomes dans le moindre échantillon de matière. On a donc défini une unité de quantité de matière plus facile d'utilisation : la mole. La mole est définie comme le nombre d'atome de carbone 12 contenu dans 12 g de carbone 12. En pratique ce nombre  est appelé nombre d'Avogadro et vaut environ 6,022 1023. Une mole d'atome correspond à 6,022 1023 atomes, une mole d'électrons correspond à 6,022 1023 électrons. etc. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 7 La Masse des atomes Normalement la masse d'un atome devrait pouvoir se calculer simplement en faisant la somme des masses de ces divers constituants. matome = Z mproton + N mneutron + Z mélectron ma = Z mp + N mn + Z me La masse des électrons est très faible par rapport a celle des neutrons ou des protons, nous pourrons donc la négliger. mp ≈ mn ≈ 1,67 10-27 kg ma ≈ 1,67 10-27 (Z + N) ≈ 1,67 10-27 A A = Z + N = Nombre de Masse T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 8 L'atome étant très petit on préfère utiliser la masse molaire atomique qui correspond bien sur à la masse d'une mole d'atome (soit  fois la masse de l'atome). A l'origine les chimistes ne connaissaient pas la masse réelle des atomes, ils avaient donc défini une échelle relative des masses molaires atomiques en comparant la masse des divers éléments entre eux en ayant choisi comme référence le carbone à qui ils avaient attribué arbitrairement une masse molaire atomique de 12 g. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 9 Cette unité de masse adaptée à l'étude des objets microscopique est définie comme étant le douzième de la masse de l'atome de carbone. Une mole de carbone pesant par convention 12 g et correspondant à N atomes de carbone, un atome de carbone pèse donc 12 / N g et l'unité de masse atomique vaut donc 1 / N g. Il y a donc une correspondance directe entre la masse d'un atome en u.m.a et sa masse molaire en g. 1 u.m.a = 1 / N g = 1 / 6,022 1023 ≈ 1,67 10-24 g ≈ 1,6710-27 kg Dire qu'un atome à une masse de M u.m.a est équivalent à dire que sa masse molaire atomique est de M g.mol-1. L'unité de masse atomique : T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 10 Comme nous l'avons vu plus haut la masse du proton (ou celle du neutron) est justement pratiquement égale à cette masse de 1,67 10-27 kg. mp ≈ mn ≈ 1 u.m.a La masse de l'atome exprimée en u.m.a ou sa masse molaire exprimée en g sont pratiquement égales à son nombre de masse A = Z + N. et comme : ma ≈ 1,67 10-27 (Z + N) ≈ 1,67 10-27 A Dans la plupart des situations courantes en chimie cette approximation sera valable et pourra donc être utilisée si on n'a pas besoin d'une précision extrême. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 11 noyau Cortège électronique simplifié Z électrons Z protons N neutrons Construction des divers atomes : Un élément chimique est caractérisé par le nombre Z de protons contenu dans son noyau, selon le nombre N de neutrons présents, il existe plusieurs isotopes de cet élément. Pour l'atome neutre (à l'exclusion des ions) Z électrons vont graviter autour du noyau. Nous étudierons plus loin la façon dont ces électrons s'organisent dans le cortège électronique. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 12 Z =1 N = 0 A = Z + N = 1 Z =1 N = 1 A = Z + N = 2 Z =1 N = 2 A = Z + N = 3 Z =2 N = 1 A = Z + N = 3 Z =2 N = 2 A = Z + N = 4 Z =2 N = 4 A = Z + N = 6 Représentation symbolique des trois isotopes de l'élément Hydrogène Représentation symbolique des trois isotopes de l'élément Hélium H 1 1 H 2 1 H 3 1 Hydrogène « normal » Deutérium Tritium He 3 2 He 6 2 He 4 2 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 13 Un édifice atomique est représenté par un symbole chimique X composé de une ou deux lettres, à gauche de ce symbole, on place en indice le numéro atomique Z de l'élément (nombre de protons) Dans le cas d'un ion la charge de celui-ci sera précisée en exposant à droite du symbole X. Le symbole X seul désigne l'élément en général, si on veut désigner un isotope particulier on précisera la composition exacte du noyau en indiquant le nombre N de neutrons présents. Dans la pratique ce n'est toutefois pas N qui est indiqué mais la somme A = Z + N appelée Nombre de Masse. A est placé en exposant et a gauche du symbole chimique. A X Z T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 14 L'abondance relative des différents isotopes Nous venons de voir qu'un même atome pouvait correspondre à divers isotopes qui ne diffèrent entre eux que par le nombre de neutrons présents dans le noyau. On pourrait donc a priori imaginer une infinité d'isotopes différents pour chaque élément. Dans la pratique ce nombre d'isotopes est limité à seulement quelques- uns. D'autre part, pour la plupart des atomes, un seuls des isotopes stables est présent en quantité appréciable dans la nature les autres isotopes étant seulement présents à l'état de traces. On désigne par abondance naturelle le pourcentage en nombre d'atomes de chacun des isotopes présents dans le mélange naturel. Cette abondance est équivalente à la fraction molaire de chaque isotope stable. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 15 Ainsi le carbone présente deux isotopes stables naturels : appelés couramment Carbone 12 et Carbone 13. Nombre de Masse 12 13 Abondance 98,9 % 1,1% Ces abondances seront supposées (et on peut le vérifier) identiques quelle que soit la provenance du Carbone étudié qu'il s'agisse du charbon uploads/Ingenierie_Lourd/ a-to-me-chap-1 1 .pdf