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REPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUP

REPUBLIQUE ALGÉRIENNE DÉMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université A. MIRA – BEJAIA Faculté de Technologie Département Technologie 2015/2016 Cours et Exercices de Structure de la Matière Cours et exercices - LMD. Domaine : Sciences et Technologies BEY Said Préface du cours La chimie est considérée comme une partie intégrante de l'histoire des sciences et du monde contemporain. En général, la chimie générale décrit la réactivité des éléments et de leurs composés, tout en donnant un vaste aperçu des principes sur lesquels repose la chimie et elle est la base de la formation scientifique initiale pour les chimistes. Ce cours contient les développements théoriques et fait appels à des outils mathématiques pour comprendre certaines notions de la chimie structurale. Destiné en priorité aux étudiants de première licence (L1) en sciences, ce cours se veut comme un outil pédagogique de première force pour l'apprentissage de la chimie générale par les étudiants du supérieur du domaine Sciences et Technologie ou toutes autres spécialités telles que les sciences médicales et biologiques. Ce cours se décline en six chapitres tels que défini par le programme officiel du socle commun pour les étudiants Sciences et Technologie. Chapitre I : Notions fondamentales Chapitre II : Principaux constituants de la matière Chapitre III : radioactivité –réactions nucléaires. Chapitre IV : Structure électronique de l’atome Chapitre V : La classification périodique des éléments Chapitre VI : Liaisons chimiques Ce manuel constitue un très bon outil pédagogique pour les étudiants de la 1ère année Sciences et Technologie. La présentation des chapitres, les nombreuses illustrations, les exemples et exercices accompagnent l'étudiant dans son parcours pédagogique exploration de la chimie. L'approche utilisée permet d'exposer avec rigueur les découvertes et les concepts qui ont mené à la compréhension actuelle des propriétés de la matière, connaissance essentielle à tout étudiant s'orientant vers le domaine scientifique. i Unités de Mesure et constantes 1. Unités de Base (SI) Grandeur physique Symbole de la grandeur Unité S.I Symbole de l'unité Longueur Masse Temps Courant électrique Température Intensité lumineuse Quantité de matière I m t I °C ou °K Iν n Mètre Kilogramme Seconde Ampère °C ou Kelvin Candela Mole m Kg s A °C ou K cd mol 2. Unités associées Grandeur physique Symbole Unité Symbole Expression de l'unité Fréquence Force Energie Puissance Charge électrique Potentiel électrique Résistance électrique Capacité électrique Pression ν F E P Q V, ϕ R C P, p Hertz Newton Joule Watt Coulomb Volt Ohm Farad Pascal Hz N J W C V Ω F Pa s-1 kg.m.s-2 = J.m-1 N.m = kg.m2.s-2 = C.V=V.A.s J.s-1 = kg.m.s-3 = V.A A.s J.A-1.S-1 = kg.m2.s-3.A-1 V.A-1 = kg.m2.s-3.A-2 C.V-1 = A2.S4.Kg-1.m-2 N.m-1 = Kg.m-1.s-2 3. Les exposants du nombre 10 (multiples et sous multiples): Multiples Sous multiples symbole Symbole 103 106 109 1012 1015 Kilo Méga Giga Téra pèta K M G T P 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 Milli Miro Nano Pico femto m µ n p f ii 4. Quelques unités recommandées Grandeur Nom Symbole Valeur Distance Energie Moment dipolaire Pression Angström Calorie Electron volt Debye Atmosphère Å cal eV 1 Å = 10-10 m = 0,1 nm = 100 pm 1cal = 4.18 J 1 eV = 1.602.10-19 J = = 96,485 KJ.mol-1 1 D = 3,33 . 10-30 C.m 1 atm = 101,325 KPa = 1,01325 N.m-2 5. Quelques constantes Nom Symbole Valeur Vitesse de la lumière Nombre d'Avogadro Charge du proton Charge de l'électron Constante de Faraday Constante de Boltzman Constante ces gaz parfaits Constante de Planck Unité de masse atomique7 Masse de l'électron Masse du proton Masse de neutron Permittivité du vide Rayon de Bohr Constante de Rydberg c NA e -e F K R h u me mp mn ε0 a0 R 2.99 . 108 m.s-1 6,022 . 1023 1,602. 10-19 C -1,602.10-19 C 9,64846.104 C.mol-1 1,38.10-23 J.K-1 8,314 J.K-1.mol-1 (8,205.10-2 l.atm.K-1.mol-1) 6,62.10-34 J.s 1,66.10-27 Kg 9,10953.10-31 Kg 1.67265.10-27 Kg 1,67495.10-27 Kg 8,854188.10-12 J-1.C2.m-1 5,29177.10-11 m 2.179908.10-18 J SOMMAIRE 1 CHAPITRE I : Notions Fondamentales I.- Etat de la matière ..................................................................................................................................1 II- Changement d’état de la matière ...........................................................................................................1 III- Systeme homogene et heterogene .......................................................................................................1 IV- Notions d’atomes et molécules ...........................................................................................................2 IV-1. Atomes .......................................................................................................................................2 IV-2. Nombre d’Avogadro .........................................................................................................2 IV-3 Molécules .....................................................................................................................................2 IV-4. Mole ............................................................................................................................................2 IV-5. Masse molaire atomique .............................................................................................................2 IV-6. Atome gramme ............................................................................................................................3 IV-7. Masse molaire moléculaire .........................................................................................................3 IV-8. Volume molaire ..........................................................................................................................3 IV- 9. Unité de masse atomique (u.m.a) ................................................................................................4 V- Aspect qualitatif de la matière ..............................................................................................................4 VI. Lois pondérales ...................................................................................................................................5 VII- Aspect quantitatif de la matière .....................................................................................................5 VII-1. Le nombre de mole .....................................................................................................................5 VII-2. Concentration molaire ou molarité ............................................................................................6 VII-3. Molalité ......................................................................................................................................6 VII-4. Concentration pondérale ou massique ......................................................................................6 VII-5. Fraction pondérale ou massique 6: VII-6. Titre ...........................................................................................................................................6 VII-7. Fraction molaire ........................................................................................................................7 VII-8. Concentration normale ou la normalité .....................................................................................7 VII-9. Masse volumique et la densité ...................................................................................................8 a- Masse volumique ..........................................................................................................................8 b- Densité ..........................................................................................................................................9 VIII- lois de Raoult ....................................................................................................................................9 Exercices ...................................................................................................................................................11 CHAPITRE II : principaux constituants de la matière I.. Introduction : expérience de Faraday 12 II- Mise en évidence des constituants de la matière 12 II-1. L’électron 12: a..Expérience de Crookes et caractéristiques des rayonnements cathodiques 12 b.-.Expérience de J.J.Thomson (1912) : détermination du rapport e/m 13 c.. Expérience de Millikan : détermination de la charge Et déduction de sa masse 16 II.2. Le proton : expérience de Goldstein (charge positive du noyau) 18 II.3. Le neutron : expérience de Chadwick 18 III..Modèle de Rutherford .........................................................................................................................19 IV..Présentation et caractéristiques de l’atome .........................................................................................20 V ..Isotopes et abondance relative des différents isotopes ........................................................................21 SOMMAIRE 2 VI..Séparation des isotopes et détermination de la masse atomique ......................................................... 22 VII.. Energie de liaison et de cohésion des noyaux ...................................................................................23 VII.1. Energie de liaison ...............................................................................................................23 VII.2. Energie de cohésion ...........................................................................................................24 VII.2.1. Energie de cohésion par nucléon ......................................................................................24 VII.2.2. Equation d’Einstein ...........................................................................................................24 VII.3. Définition de l’électro-volt ...............................................................................................24 VII.4. Energie d’un u.m.a (1 uma) .......................................................................................................24 VII.5. Stabilité du noyau .....................................................................................................................25 Exercices ...................................................................................................................................................26 CHAPITRE III la radioactivité I..Radioactivité naturelle ...........................................................................................................................29 I.1. Rayons ........................................................................................................................................29 I.2. Rayons .....................................................................................................................................29 I.3. Rayons ...................................................................................................................................... 29 I.4. Rayonnements ..............................................................................................................................30 II .. Radioactivité artificielle ......................................................................................................................30 II.1. Réactions de transmutation ...........................................................................................................30 II.2. Fission nucléaire ...........................................................................................................................30 II.2. Réaction de fusion ........................................................................................................................31 III..Cinétique de la désintégration radioactive ..........................................................................................31 III.1. Aspect énergétique ......................................................................................................................31 III.2. Aspect cinétique ( loi de décroissance radioactive) ...................................................................32 a. La période radioactive .................................................................................................................32 b. Activité radioactive .....................................................................................................................34 IV..Applications de la radioactivité ...........................................................................................................35 V..Dangers de radionucléides ....................................................................................................................37 Exercices ...................................................................................................................................................38 CHAPITRE IV Structure électronique de l’atome I..Spectre électromagnétique – dualité onde -corpuscule ..........................................................................44 I.1. Aspect ondulatoire de la lumière .................................................................................................44 I.2. Aspect corpusculaire : effet photoélectrique ............................................................................... 45 II.. Interaction entre la lumière et la matière .............................................................................................47 II.1. Spectre d’émission d’hydrogène ...................................................................................................48 II.2. Notion de série de raies ................................................................................................................49 III..Modèles classiques de l’atome ............................................................................................................50 III.1. Modèle de Rutherford ................................................................................................................50 III.2. Modèle de Bohr .........................................................................................................................52 III.2.1. Rayon des orbites stationnaires ...........................................................................................53 III.2.2. Energie de l’électron sur une orbite ...................................................................................54 III.2.3. Interprétation par la théorie de Bohr du spectre d’émission de l’atome d’hydrogène ........54 III.2.4. Application aux hydrogénites ..................................................................................................55 SOMMAIRE 3 III.2.5. Insuffisance de modèle de Bohr ..........................................................................................56 IV . Modèle base sur la mécanique ondulatoire ........................................................................................57 IV.1. Dualité onde-corpuscule et relation de De Broglie ....................................................................57 IV.2. Principe d’incertitude d’Heisenberg ...........................................................................................57 IV.3. Fonction d’one et équation de Schrödinger ................................................................................58 IV.3.2. Equation de Schrödinger .....................................................................................................59 IV.4. Résultats de la résolution de l’équation de Schrödinger .............................................................. 61 IV.5.Les nombres quantiques et notion d’orbitale atomique ...............................................................62 IV.5.1. Les nombres quantiques ......................................................................................................62 a..Nombre quantique principal (n) .............................................................................................62 b..Nombre quantique secondaire (ou azimutal) (l) ..................................................................... 62 c..Nombre quantique magnétique (m) ........................................................................................ 63 d..Nombre quantique de spin (s) ................................................................................................ 63 IV.5.2. Orbitales atomiques ..................................................................................................................63 IV.5.2.1. Description des orbitales atomiques ................................................................................ 64 V..Atomes poly-électroniques en mécanique ondulatoire .........................................................................65 - Règle de Klechowski ....................................................................................................................65 V.3. Regles de remplissages des orbitales tomiques ............................................................................. 65 a..Principe de la stabilite .................................................................................................................65 b..Principe de Pauli .........................................................................................................................65 c..Regle de Hund 65 .........................................................................................................................65 V.4. Effet d’ecran : approximation de Slater ........................................................................................67 V.4.1. Règles de Slater .................................................................................................................... 68 V.4.3. Energie d’ionisation .............................................................................................................71 Exercices ...................................................................................................................................................73 CHAPITRE V Classification périodique des éléments I..Classification périodique de MENDELEÏEV ........................................................................................78 II..Classification périodique moderne .......................................................................................................78 III..Principe de construction ......................................................................................................................78 A..Période .............................................................................................................................................79 B..Blocs ................................................................................................................................................79 C..Groupes chimiques ..........................................................................................................................79 D..Gaz rares ou nobles ......................................................................................................................... 80 E..Métaux et non-métaux .....................................................................................................................81 IV..Evolution de la périodicité des propriétés physico-chimique des éléments ........................................81 IV.1. Rayon atomique(R ) .................................................................................................................... 81 IV.2. Energie d’ionisation (EI) .............................................................................................................82 IV.3. Affinité électronique (EA) ...........................................................................................................82 IV.4. Electronégativité .........................................................................................................................83 Echelle de PAULING ....................................................................................................................83 Echelle de MULLIKEN ..................................................................................................................83 Echelle ALLRED et ROCHOW .....................................................................................................83 Exercices ...................................................................................................................................................84 SOMMAIRE 4 CHAPITRE VI LIAISONS CHIMIQUES I..La liaison covalente dans la théorie de LEWIS ..............................................................................87 I.1. Couche de valence .........................................................................................................................87 I.2. Les différents types de liaisons ......................................................................................................88 a..Liaison covalente .........................................................................................................................88 b..Liaison dative ou liaison covalente de coordination : ..................................................................88 c..Liaison ionique ............................................................................................................................88 d..Liaison polarisée .........................................................................................................................88 I.3. Diagramme de LEWIS (modèle de la liaison covalente) ...............................................................88 -Notions de valence excitations des atomes ................................................................................90 -Techniques de construction des schémas de Lewis des molécules .............................................92 -Charge formelle ..........................................................................................................................92 -Détermination rapide des schémas de Lewis ................................................................................92 II . Liaison covalente polarisée, moment dipolaire et le caractère ionique partiel de la liaison ................97 II.1. Ionicité des liaisons ............................................................................................................................99 III. Géométrie des molécules ....................................................................................................................99 Méthodes de V.S.E.P.R uploads/Science et Technologie/ cours-bey-said-cours-et-exercices-de-structure-de-la-matiere.pdf