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2 Chapitre I STRUCTURE DE L'ATOME CONSTITUANTS DE LA MATIERE INTRODUCTION La ma

2 Chapitre I STRUCTURE DE L'ATOME CONSTITUANTS DE LA MATIERE INTRODUCTION La matière est formée à partir de grains élémentaires: les atomes. 112 atomes ou éléments ont été découverts et chacun d'eux est désigné par son nom et son symbole. Exemple : Carbone : C ; Azote : N. Les atomes diffèrent par leurs structures et leurs masses, et sont eux même fragmentés en petites particules : les électrons, les protons et les neutrons. En fait, l'atome n'existe pas souvent à l'état libre, il s'associe avec d'autres pour former des molécules. On a des molécules monoatomiques : gaz rares ( He, Ne, Ar,…), diatomiques (H2, O2, NaCl,…) et des molécules polyatomiques (H2O, H2SO4,…). I - ELECTRON L'atome est un ensemble électriquement neutre comportant une partie centrale, le noyau ( protons + neutrons ), où est centrée pratiquement toute sa masse, et autour duquel se trouvent des électrons. 1 - Mise en évidence : Expérience de J.J. Thomson Sous l'effet d'une tension électrique très élevée ( 40 000 volts) appliquée entre les deux parties internes d'un tube à décharge, un faisceau est émis de la cathode, appelé rayons cathodiques et recueilli par l'anode. Cathode tube en verre gaz Anode - + vide rayons cathodiques 2- Propriétés des rayons cathodiques : - Se propagent de façon rectiligne et perpendiculaire à la cathode. - Ils sont constitués de particules qui transportent de l'énergie. - Ils sont déviés par un champs électrique vers le pôle positif, ce qui indique que les particules constituant ces rayons sont chargées négativement. En 1891, Stoney a donné le nom d'électron pour les particules constituant les rayons cathodiques. Les expériences de Thomson et Millikan, nous ont permis de déterminer la charge e et la masse me de l'électron : e = 1,602 . 10-19 Coulomb ou C me = 9,109 . 10-31 kg. 3 II - NOYAU 1- Mise en évidence : Expérience de Rutherford L'expérience consiste à bombarder une très mince feuille de métal (Or) par le rayonnement constitué de noyaux d'Helium (He2+). Ecran fluorescent Feuille d'or Source (He2+) INTERPRETATION La matière de la feuille d'or est constituée essentiellement du vide. Sa masse se trouve donc concentrée en certains points. Les particules passent dans leur grande majorité, entre ces points de matière condensée que sont les noyaux atomiques. La quasi-totalité des noyaux traversent la feuille d'or sans être déviés. D'autres la traversent en étant simplement déviés (1/100). En fin, très peu de noyaux sont repoussés par la feuille (1/20000). 2- Constitution du noyau atomique Le noyau est formé de particules élémentaires stables appelées nucléons, qui peuvent se présenter sous deux formes à l'état libre, le neutron et le proton. - Les protons sont chargés positivement : qp = +e = 1,602 . 10-19 C - La masse du proton : mp = 1,673 . 10-27 kg ≈ 1836 me - Les neutrons sont de charge nulle, leur masse est : mn = 1,675 . 10-27 kg. Conclusion : Toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau. III- IDENTIFICATION DES ELEMENTS 1- Représentation A chaque élément chimique, on a associé un symbole. Il s'écrit toujours avec une majuscule, éventuellement suivie d'une minuscule : A ZX Z est appelé numéro atomique ou nombre de charge, il désigne le nombre de protons ( c'est aussi le nombre d'électrons pour un atome neutre). Pour un élément quelconque, la charge du noyau ( protons) est +Ze. De même la charge des électrons sera -Ze. A est appelé nombre de masse, il désigne le nombre de nucléons (protons + neutons). Si N représente le nombre de neutrons, on aura la relation : A = Z + N 4 2- Isotopes Ce sont des atomes de même numéro atomique Z et de nombre de masse A différent. Un élément peut avoir un ou plusieurs isotopes. Il n'est pas possible de les séparer par des réactions chimiques, par contre cela peut être réalisé en utilisant des techniques physiques notamment la spectroscopie de masse. 3- Masse atomique La masse atomique est égale à la somme des masses des constituants de l'atome : mat = Zme + Zmp + Nmn ( en kg ) L'utilisation de cette unité n'est pas commode, des unités chimiques plus faciles à manipuler ont donc été choisies ; le terme de référence étant le carbone 12. Par définition, l'unité de masse atomique qu'on note u.m.a est le 12 1 ème de la masse d'un atome de carbone 12 ( 12C). u.m.a = 12 1 mc 4- Mole et masse molaire A notre échelle, on raisonne sur une certaine quantité de matière appelée mole : La mole est la quantité de matière qui contient autant d'atomes qu'il y a dans 12g de carbone 12. Le nombre est appelé nombre d'Avogadro N : N = 6,0221. 1023 Un tel nombre s'appelle donc une mole (N molécules) ou atome -gramme (N atomes). Par définition : Une mole d'atomes de carbone 12 pèse 12g. La masse d'un atome vaut 12 u.m.a, donc : 12 g = N. 12 u.m.a ou encore 1 u.m.a = 1/ N = 1,66 . 10-24 g = 1,66 . 10-27 kg. Masse molaire : La masse d'une mole d'atomes d'un élément est appelée la masse molaire de l'atome. 5- Masse atomique relative Dans le cas général, un élément possède un ou plusieurs isotopes ; donc la masse atomique sera la somme des proportions relatives à chaque isotope. m = Σ(xi . mi) u.m.a de même la masse molaire sera : M = Σ(xi . Mi) (g/mole) 5 CHAPITRE II MODELES CLASSIQUES DE L'ATOME I - MODELE DE RUTHERFORD Ce modèle est basé sur l'existence du noyau dans lequel est pratiquement concentrée toute la masse de l'atome et autour duquel gravitent des électrons. La stabilité mécanique résulte de la compensation des forces d'attractions F r a par les forces centrifuges F r c dues à la rotation des électrons autour du noyau. L'avantage de ce modèle c'est qu'il ne fait appel qu'aux lois de la mécanique classique. Par contre, il présente des inconvénients : • La théorie électromagnétique exige que l'électron rayonne des ondes électromagnétiques, donc il va perdre de l'énergie et finirait par tomber sur le noyau. • L'énergie lumineuse émise varie de façon continue. Ces deux conclusions sont en contradiction avec l'expérience. II - MODELE DE BOHR 1- Description ( cas de l'atome d'hydrogène ) Pour lever les contradictions précédantes, Bohr propose quatre hypothèses : • Dans l'atome, le noyau est immobile alors que l'électron de masse m se déplace autour du noyau selon une orbite circulaire de rayon r. • L'électron ne peut se trouver que sur des orbites privilégiées sans émettre de l'énergie ; on les appelle "orbites stationnaires". • Lorsqu'un électron passe d'un niveau à un autre il émet ou absorbe de l'énergie : ∆E = h.ν • Le moment cinétique de l'électron ne peut prendre que des valeurs entières (quantification du moment cinétique) : mvr = n.h/2π h : constante de Planck et n : entier naturel. 2 - Aspect quantitatif de l'atome de Bohr Le système est stable par les deux forces F r a et F r c : • Force d'attraction : ⏐F r a ⏐= e2 / 4πε0r2 • Force centrifuge : ⏐F r c ⏐= mv2 / r Le système est en équilibre si : ⏐F r a ⏐= ⏐F r c ⏐ càd : mv2 = e2 / 4πε0r (1) Energie totale du système : ET = Ec + Ep Ec : énergie cinétique Ep : énergie potentielle , elle est due à l'attraction du noyau Donc Ep = Fa dr = - e2 / 4πε0r D'autre part : Ec = mv2/2 Donc : ET = - e2 / 8πε0r (2) 6 Rayon de l'orbite : On sait que : mvr = n.h/2π Donc mv2 = n2h2 / 4π2mr2 (3) (1) et (3) donnent : r = ε0h2n2 / πme2 (4) C'est le rayon de l'orbite où circule l'électron ; il est quantifié. Si on remplace (4) dans (2), on obtient : ET = -me4 / 8ε0 2h2n2 (5) L'énergie totale d'un électron est donc discrète ou quantifiée. • Pour n=1 (état fondamental : l'électron occupe l'orbite de rayon r1 et d'énergie E1) r1 = 5,29.10-11 m = 0,529 Å (1Å = 10-10 m) E1 = -21,78.10-19 j = -13,6 eV (1eV = 1,6.10-19 j) • Pour n =2 ( Premier état excité ) r2 = 4r1 = 2,116 Å et E2 = E1/4 = -3,4 eV • Pour n = 3 ( Deuxième état excité ) r3 = 9r1 = 4,761 Å et E2 = -1,51 eV 3 - Absorption et émission d'énergie Un électron ne peut absorber ou libérer de l'énergie càd rayonner qu'en passant d'un niveau (orbite) à un autre. La quantité d'énergie absorbée ou émise est égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux (relation de Planck) : ∆E = ⏐Ef - Ei⏐= hν Ef : état final Ei : état initial h : constante de Planck ν : fréquence de radiation Absorption : uploads/Ingenierie_Lourd/ atomistique-cours.pdf