Atome chap1

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Atome chap1

  1. 1. L1 - CHIM 110 - “ATOMES ET MOLECULES”Cours de Thierry BRIEREPREMIERE PARTIES : LES ATOMESChapitre 1 : Structure de la matièreCette page est mise à disposition sous un contrat Creative Commons.Vous pouvez l’utiliser à des fins pédagogiques et NONCOMMERCIALES, sous certaines réserves dont la citation obligatoiredu nom de son auteur et l’adresse http://www2.univ-reunion/~briere deson site d’origine pour que vos étudiants puissent y accéder.Merci par avance de respecter ces consignes. Voir contrat… T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 1
  2. 2. Chapitre 1N Z > 83 α Excès de neutrons15 β-0 Zone de stabilité100 Excès de50 protons β+ 20 40 60 80 100 QUELQUES NOTIONS SUR LA STRUCTURE DE LA MATIERE T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 2
  3. 3. Les particules élémentairesTrois particules élémentaires de très petites dimensions composent toute la matière de l’Univers, avecces trois briques fondamentales on peut « construire » tous les éléments qui existent. Ces particules fondamentales ont été découvertes entre 1875 et 1910, ce sont : Le Proton, le Neutron et l’Electron. Quelques propriétés physiques 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 COn voit que le proton et le neutron ont des masses sensiblementidentiques : mp = mn = 1,67 10-27 kg.L’électron est une particule beaucoup plus légère, sa masse estapproximativement 2000 fois plus faible que celle du proton ou duneutron (mp/me = 1833). T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 3
  4. 4. L ’ATOME DéfinitionAtome (du grec atomos, “indivisible”), particule, constituant essentielde la matière caractéristique dun élément chimique. Létymologiegrecque du mot “atome” souligne le caractère indivisible de cette“particule fondamentale”, qui était considérée comme indestructible.En réalité l’atome n’est pas indivisible puisque commenous venons de le voir, il est constitué des particulesfondamentales Protons, Neutrons et Electrons.Cette définition reste toutefois valable car s’il est possible dedétruire un atome d’un élément quelconque pour obtenir lesparticules élémentaires qui le composent, l’élément lui-mêmeest détruit au cours de cette opération.Nous considérerons l’atome comme la plus petite particule d’un élémentdéterminé qui puisse exister. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 4
  5. 5. Orbites électroniquesCortège électroniqueZ électrons gravitant autour du noyau NOYAU(pour un atome neutre) Z protons N neutrons Rayon : 10-14 m Diamètre de latome : 2 10-10 mReprésentation symbolique dun atome (modèle planétaire)Si léchelle était respectée la taille de latome, de lordre de grandeur delAngström lAngström(10-10 m) devrait être 10000 fois plus grande quecelle du noyau (10-14 m). T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 5
  6. 6. La Mole : unité de quantité de matièreLa taille minuscule des atomes et leur masseextrêmement faible fait quil y a toujours un nombreénorme datomes dans le moindre échantillon de matière.On a donc défini une unité de quantité de matière plusfacile dutilisation : la mole.La mole est définie comme le nombre datome de carbone12 contenu dans 12 g de carbone 12.En pratique ce nombre  est appelé nombre dAvogadro etvaut environ 6,022 1023.Une mole datome correspond à 6,022 1023 atomes, une moledélectrons correspond à 6,022 1023 électrons. etc. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 6
  7. 7. La Masse des atomesNormalement la masse dun atome devrait pouvoir secalculer simplement en faisant la somme des masses deces divers constituants. matome = Z mproton + N mneutron + Z mélectron ma = Z mp + N mn + Z meLa masse des électrons est très faible par rapport a celle des neutrons oudes 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 7
  8. 8. Latome étant très petit on préfère utiliser lamasse molaire atomique qui correspond bien surà la masse dune mole datome (soit  fois lamasse de latome).A lorigine les chimistes ne connaissaient pas lamasse réelle des atomes, ils avaient donc défini uneéchelle relative des masses molaires atomiques encomparant la masse des divers éléments entre euxen ayant choisi comme référence le carbone à qui ilsavaient attribué arbitrairement une masse molaireatomique de 12 g. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 8
  9. 9. Lunité de masse atomique :Cette unité de masse adaptée à létude des objetsmicroscopique est définie comme étant le douzième de lamasse de latome de carbone.Une mole de carbone pesant par convention 12 g etcorrespondant à N atomes de carbone, un atome decarbone pèse donc 12 / N g et lunité de masse atomiquevaut donc 1 / N g.Il y a donc une correspondance directe entre la masse dunatome en u.m.a et sa masse molaire en g.Dire quun atome à une masse de M u.m.a est équivalent àdire que sa masse molaire atomique est de M g.mol-1.1 u.m.a = 1 / N g = 1 / 6,022 1023 ≈ 1,67 10-24 g ≈ 1,6710-27 kg T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 9
  10. 10. Comme nous lavons vu plus haut la masse du proton (oucelle du neutron) est justement pratiquement égale à cettemasse de 1,67 10-27 kg. mp ≈ mn ≈ 1 u.m.a et comme : ma ≈ 1,67 10-27 (Z + N) ≈ 1,67 10-27 ALa masse de latome exprimée en u.m.a ou sa massemolaire exprimée en g sont pratiquement égales à sonnombre de masse A = Z + N. Dans la plupart des situations courantes en chimie cette approximation sera valable et pourra donc être utilisée si on na pas besoin dune précision extrême. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 10
  11. 11. Construction des divers atomes : Z électrons noyau Cortège électronique simplifié Z protons N neutronsUn élément chimique est caractérisé par le nombre Z de protons contenudans son noyau, selon le nombre N de neutrons présents, il existeplusieurs isotopes de cet élément.Pour latome neutre (à lexclusion des ions) Z électrons vont graviterautour du noyau. Nous étudierons plus loin la façon dont cesélectrons sorganisent dans le cortège électronique. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 11
  12. 12. Représentation symbolique des trois isotopes de lélément Hydrogène Z =1 Z =1 Z =1 N=0 N=1 N=2 A=Z+N=1 A=Z+N=2 A=Z+N=3 1 3 Hydrogène 2 Deutérium H Tritium H « normal » H 1 1 1 Représentation symbolique des trois isotopes de lélément Hélium Z =2 4 Z =2 He Z =2 N=1 N=2 2 A=Z+N=3 N=4 A=Z+N=4 A=Z+N=6 3 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 6 12 He He 2 2
  13. 13. Un édifice atomique est représenté par un symbolechimique X composé de une ou deux lettres, à gauche dece symbole, on place en indice le numéro atomique Z delélément (nombre de protons) Dans le cas dun ion lacharge de celui-ci sera précisée en exposant à droite dusymbole X.Le symbole X seul désigne lélément en général, si on veut désignerun isotope particulier on précisera la composition exacte du noyau enindiquant le nombre N de neutrons présents. Dans la pratique ce nesttoutefois pas N qui est indiqué mais la somme A = Z + N appeléeNombre de Masse. A est placé en exposant et a gauche du symbolechimique. A X Z T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 13
  14. 14. Labondance relative des différents isotopesNous venons de voir quun même atome pouvaitcorrespondre à divers isotopes qui ne diffèrent entre eux quepar le nombre de neutrons présents dans le noyau. Onpourrait donc a priori imaginer une infinité disotopesdifférents pour chaque élément.Dans la pratique ce nombre disotopes est limité à seulement quelques-uns. Dautre part, pour la plupart des atomes, un seuls des isotopesstables est présent en quantité appréciable dans la nature les autresisotopes étant seulement présents à létat de traces.On désigne par abondance naturelle le pourcentage ennombre datomes de chacun des isotopes présents dans lemélange naturel. Cette abondance est équivalente à lafraction molaire de chaque isotope stable. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 14
  15. 15. Cette abondance naturelle a pu être mesurée et on latrouve dans des tables.On admet que labondance naturelle de chacun desisotopes est toujours la même quelle que soit laprovenance de léchantillon étudié.Ainsi le carbone présente deux isotopes stables naturels :appelés couramment Carbone 12 et Carbone 13.Leurs abondances naturelles sont les suivantes : Nombre de Masse 12 13 Abondance 98,9 % 1,1%Ces abondances seront supposées (et on peut le vérifier) identiquesquelle que soit la provenance du Carbone étudié quil sagisse ducharbon extrait dans une mine de Pologne, dun diamant extrait du solsud-africain ou de charbon de bois fabriqué dans les hauts de LaRéunion. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 15
  16. 16. Masse Molaire de lélément : Comme un élément est constitué dun mélange de divers isotopes et que les proportions de ces divers isotopes sont constantes on va pouvoir définir pour chaque élément une masse molaire moyenne qui tiendra compte de sa composition. M = Σ xi Mixi désignant labondance naturelle de lisotope i demasse molaire Mi.Soit dans lexemple du Carbone : MC = 0,9889 * M(12C) + 0,011* (M13C)Si on na pas besoin dune extrême précision on pourraassimiler les masses molaires de chacun des isotopes àleur nombre de masse.MC = 0,9889 * 12 + 0,011* 13 = 12,02 g mol-1 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 16
  17. 17. Isotopes radioactifs instablesPour certains éléments, il existe dautre part desisotopes naturels ou artificiels instables appelésradioactifs.En raison de leur instabilité leur abondance varie aucours du temps et nest donc jamais précisée.Ainsi deux isotopes radioactifs du carbone existent : le Carbone 14 ( 6 protons, 8 neutrons) et le Carbone 11(6 protons, 5 neutrons).Cela nous amène à discuter de la stabilité des atomes etparticulièrement de celle de leur noyau. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 17
  18. 18. La stabilité des divers isotopes : La radioactivitéNous nentrerons pas ici dans le détail mais nousénoncerons simplement les principaux résultats concernantcette branche importante de la physique.Parmi la centaine déléments connus seul les 83 premiers (àlexception du Technétium (Z=43) et du Prométhium (Z=61)possèdent au moins un isotope stable.A partir du Polonium (Z=84) il nexiste plus de nucléidesstables, ils sont tous radioactifs. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 18
  19. 19. Pour les premiers éléments de Z < 30 on constate que les isotopesstables contiennent un nombre de neutrons sensiblement égal à celuides protons. Z = N.Au delà de Z = 30 les isotopes stables contiennent un nombre deneutrons plus élevé que celui des protons : N > Z. Diagramme de stabilité des isotopes N 140 130 Zone de stabilité 120 110 100 90 80 70 60 50 Z=N 40 30 20 10 Z 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 19
  20. 20. On peut expliquer simplement ce fait en considérant que les protons chargés positivement se repoussent, lajout de neutrons stabilise les nucléides par un effet de "dilution" des charges positives qui en étant plus éloignées les unes des autres auront tendance à moins se repousser.Plus le nombre de protons augmente et plus le nombre deneutrons devra augmenter pour que le nucléide soit stable. Si le nombre de protons devient trop élevé (Z >84) cet effet de « dilution des charges » devient inefficace et il n’existe plus de noyaux stables. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 20
  21. 21. Notons que le fait que les noyaux des atomes soientstables implique obligatoirement lexistence de forcesdintensité plus grandes que celle de la forceélectrostatique de Coulomb qui, si elle était seule,détruirait le noyau.Ces forces sont nommées forces nucléaires et sont aunombre de deux la force nucléaire forte et la forcenucléaire faible que nous nétudierons pas en détail ici.Le rapport entre le nombre de proton et le nombre deneutron est le facteur principal qui va fixer la stabilité oulinstabilité dun nucléide donné.Il existe trois formes de radioactivité différentes : T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 21
  22. 22. Radioactivité β-Cette forme de radioactivité concerne les isotopesinstables qui possèdent un excès de neutrons et sont doncsitués au dessus de la zone de stabilité.De tels noyaux chercheront à se stabiliser en augmentantZ et en diminuant N.On peut considérer que pour de tels nucléïdes un neutronse transforme en proton, la charge positive du noyau vadonc augmenter, ce qui nest possible qua la conditionquune charge négative équivalente soit ejectée du noyau.Cette charge négative correspond au départ dun électron dunoyau.(il se forme également une particule élémentaire appelée anti-neutrino ν∗) T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 22
  23. 23. La réaction de transformation du neutron en protonsécrit donc : neutron  proton + électron + anti-neutrino 1 1 0 n p e + ν∗ 0 1 -1 Au cours de cette réaction, le nombre de protons varie et on transforme donc un élément en un autre, il sagit dune transmutation. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 23
  24. 24. Au cours de ces réactions les éléments ne sont pasconservés, en revanche la somme des nombres demasse et la somme des numéros atomiques seconservent.Elément X  Elément Y + électron + anti-neutrino A A 0 X Y e + ν∗ Z Z+1 -1 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 24
  25. 25. Radioactivité β+Il sagit en quelque sorte du phénomène "inverse" duprécédant.Cette forme de radioactivité concerne les isotopesinstables qui possèdent un excès de protons et sont doncsitués au dessous de la zone de stabilité.De tel noyaux chercheront à se stabiliser en augmentant Net en diminuant Z.On peut considérer que pour de tels nucléïdes un proton setransforme en neutron. Simultanément un positron est éjectédu noyau.(il se forme également un neutrino v)Le positron est lanti-particule de lélectron, il possède unemême masse mais une charge opposée à celui-ci. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 25
  26. 26. proton  neutron + positron + neutrino 1 0 1 p n e + ν 1 0 1Au cours de cette réaction, le nombre de protons varie et ontransforme donc un élément en un autre, il sagit ici aussi dunetransmutation. Elément X  Elément Y + positron + neutrino A A 0 X Y + e + ν Z Z-1 1 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 26
  27. 27. Radioactivité αCette forme de radioactivité concerne essentiellement leséléments "lourds" de numéro atomique Z > 83.Ici, le nombre des protons et celui des neutrons sontmodifiés simultanément par émission de particules α(noyaux dHélium 4 ). Elément X  Elément Y + particule α A A-4 4 X  Y He Z-2 2 Z T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 27
  28. 28. Diagramme de stabilité des isotopesN Z > 83 Excès de neutrons α150 β- Zone de stabilité100 Excès de protons50 β+ Z 20 40 60 80 100 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 28
  29. 29. Prévision « a priori » du type de radioactivité d’un isotope instableIl suffit de comparer le nucléide instable avec un nucléide stable du mêmeélément. Pour se stabiliser, l’isotope instable va chercher à se rapprocherde la structure de l’isotope stable.Exemple du carbone (Z = 6)Isotopes stables : 12C : 6 protons et 6 neutrons et 13C : 6 protons et 7 neutronsIsotope instable : 11C : 6 protons et 5 neutronsPour « ressembler » à 12C il lui faudrait un neutron supplémentaireUn proton va donc se transformer en neutron et le noyau va expulser une chargepositive : émetteur β+ 11 11 0 + e 6 C 5 B + 1Isotope instable : 14C : 6 protons et 8 neutrons Pour « ressembler » à 13C il lui faudrait un neutron de moinsUn neutron va donc se transformer en proton et le noyau va expulser une chargenégative : émetteur β- 14C 14 0 - e 6 N + -1 7 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 29
  30. 30. Energie de cohésion des noyaux - Energie NucléaireNous avons signalé précédemment lexistences desforces nucléaires (forte et faible) qui sopposant à la forcede Coulomb étaient responsables de la stabilité (ou de lacohésion) du noyau.A ces forces sont associée une énergie appelée énergiede cohésion (ou parfois énergie de liaison) du noyau.Le noyau est plus stable que ses éléments (protons etneutrons) séparés, lors de la formation du noyau, il y a donclibération dénergie. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 30
  31. 31. Daprès la relation dEinstein déquivalence Masse - Energie E = m C2à cette énergie correspond une masse.En dautre termes lors de la formation du noyau à partir deces éléments séparés une partie de la masse des particulesest transformée en énergie.La masse du noyau est toujours inférieure à la somme desmasses de ces constituants, Il y a une perte de masse ∆m quise transforme en énergie avec E = ∆m C2 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 31
  32. 32. Pour détruire le noyau, il faudra fournir une énergie équivalente. Un noyau sera dautant plus stable que son énergie de cohésion sera grande. Cette énergie de cohésion est de lordre du MeV/nucléon (1 MeV = 106 eV = 1,6 10-13 J).On peut porter sur un diagramme appelé courbe dAstonla représentation graphique de cette énergie moyenne decohésion en fonction du nombre A de nucléons.Courbe d’Aston : On porte l’énergie moyenne de cohésion par nucléonE/A en fonction de ALa courbe obtenue présente un maximum vers A = 60, lesatomes correspondant étant les atomes les plus stables quiexistent. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 32
  33. 33. E / A (MeV/nucléon) 56 Fe8,8 Zone de plus grande stabilité7,5 238 U 2 H A=Z+N0,5 50 100 150 200 250 Courbe dAston T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 33
  34. 34. La pente de la courbe dAston est très importante pour lazone des atomes "légers" de A < 15.Du coté des atomes "lourds" de A > 15 cette pente estbeaucoup plus douce.Les atomes dont lénergie moyenne de liaison par nucléonest faible ( de E / A < 7,5 MeV / nucléon) vont chercher a sestabiliser et a se rapprocher de la zone de stabilité maximalevers A = 60. Deux processus différents sont possibles : « Atomes légers » « Atomes lourds » FUSION FISSION T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 34
  35. 35. E / A (MeV/nucléon) Courbe dAston8,8 Zone de plus grande stabilité7,5 FUSION FISSION A=Z+N 50 100 150 200 250 Stabilisation des « atomes légers » = FUSION Stabilisation des « atomes lourds » = FISSION T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 35
  36. 36. La fission nucléaire:Les atomes de nombre de masse très élevés, lorsque ils sont bombardéspar des neutrons peuvent subir une cassure conduisant a des atomesplus légers et a des neutrons.Les neutrons émis peuvent à leur tour provoquer la fission datomesvoisins, on à une réaction en chaîne explosive.Lors du processus il se produit une perte de masse et unimportant dégagement dénergie. Cette réaction nest toutefois possible que si la masse de léchantillon utilisé est supérieure à une masse appelée masse critique.Ce type de réaction en chaîne quand il nest pas contrôlé està la base de la bombe atomique (Bombe A). T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 36
  37. 37. On peut néanmoins contrôler le processus pour obtenir unelibération dénergie régulière, on a alors une centralenucléaire.Lénergie libérée par ce type de réaction est énorme delordre de 200 Mev /atome (2 1013 J / mole).La fission de 1 g dUranium 238 libère ainsi autant dénergieque la combustion de 3 tonnes de charbon.Ce qui explique que, malgré tous les problèmes inhérents àcette technique (déchets etc), les centrales nucléaires aientété développées et soient encore largement utilisées. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 37
  38. 38. Exemples de réactions de fission : 139 94 1235 1 3 n U n Ba Kr 092 0 56 36 139 95 1 235 1 2 n U n Xe Sr 0 92 0 54 38 135 97 1 235 1 4 n U n I Y 0 92 0 53 39 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 38
  39. 39. La Fusion nucléaireLes atomes légers vont chercher à se stabiliser par réactionde fusion. Au cours de ce type de réactions, deux noyauxlégers vont fusionner pour donner un atome plus lourd etdiverses particules.Au cours de ce processus il va y avoir perte de masse etimportant dégagement dénergie.Cette sorte de réaction est à lorigine de lénergie des étoiles.Cest aussi la réaction utilisée dans les bombe H.En raison de la forte pente de la courbe d’Aston pour lesatomes légers ce processus est encore plus énergétique quela fission. Des recherches sont toujours menées pourdomestiquer cette énergie mais on est encore loin duneutilisation pacifique de la fusion nucléaire. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 39
  40. 40. Exemples de réactions de fusion : 1 4 0 4 H He 2 e 1 2 1 2 3 4 1 H H He + n 1 1 2 0 T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 40
  41. 41. CONCLUSIONAu cours de ce premier chapitre nous avons rappeléles notions essentielles concernant la structure de lamatière.La matière est constitué d’atomes.Nous nous sommes intéressés plus particulièrementau noyau contenant des protons et des neutrons.Lors des chapitres suivants nous nous intéresseronsau cortège électronique des atomes qui est à la basede la réactivité chimique des éléments. T. BRIERE - ATOMES - Chap 1 41

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