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    Atomistique

    Structure de latome

    E. Cavalli - UFR SMP - UFCUFC UFR SMP 1re anne de Pharmacie

    3

    A - HistoireI - Introduction

    A-tome : ne peut tre divisPhilosophes grecs antiques

    Pas de preuve ni dapplication

    Fin 18e et 19e sicles Lavoisier Rien ne se perd, rien ne se cre Proust (proportion dfinie)Dalton (thorie atomique moderne)Mendeleev (classement priodique)

    4

    II Philosophes grecs antiquesa - Dmocrite (Ve s av. JC)Conception de la matire selon Dmocrite:

    La matire est discontinue, donc faite de videLa plus petite particule de la matire se nomme atome (le plein)L'atome est indivisibleLe poids d'un corps dpend de la quantit de vide qui spare les atomes qui le compose

  • 2

    5

    II Philosophes grecs antiques

    b AristoteConception de la matire selon Aristote:

    La matire est continue et uniforme La matire est compose de quatre lments: terre, air, eau, feuLes quatre caractristiques fondamentales sont: froid, sec, chaud, humide Le vide n'existe pas

    6

    III - Fin 18e et 19e sicles

    50 g 25g 12 g12 g -- 63 g63 g70 g 25g 32 g32 g -- 63 g63 g50 g 50g -- 17,1g 17,1g 82,9 g82,9 g50 g 32,9g -- -- 82,9 g82,9 g70 g 46,1g -- -- 116,1 g116,1 g

    Masses avant raction Masses aprs ractionMagnsium dioxygne Magnsium dioxygne produit RapportRapport

    50+25=12+6370+25=32+63

    50+50=17.1+82.9

    La masse totale des produits forms est gale la masse totale des ractifs

    Rien ne se perd, rien ne se cre

    a - Lavoisier Le magnsium ragit avec du dioxygne

    7

    III - Fin 18e et 19e sicles

    Lorsque des corps simples s'unissent pour former un corps compos dfini, le rapport entre les masses de chaque ractif qui ont t consommes dans la raction chimique est constant.

    Loi des proportions dfinies

    Rapport (Magnsium Consomm/Dioxygne Consomm) =1,5

    Masses avant raction Masses aprs ractionMagnsium dioxygne Magnsium dioxygne produit

    50 g 25g 12 g12 g -- 63 g63 g70 g 25g 32 g32 g -- 63 g63 g50 g 50g -- 17,1g 17,1g 82,9 g82,9 g50 g 32,9g -- -- 82,9 g82,9 g70 g 46,1g -- -- 116,1 g116,1 g

    RapportRapport

    38/25=1,538/25=1,5

    50/32,9=1,5

    b - Proust

  • 3

    8

    III - Fin 18e et 19e sicles

    Masses avant raction Masses aprs ractionCarbone dioxygne produit

    50 g 66,7g 116,7 g50 g 133,33g 183,33 g

    Lorsque deux corps simples peuvent former plusieurs composs, les masses de l'un des constituants s'unissant une mme masse de l'autre sont toujours dans des rapports de nombres entiers.

    Loi des proportions multiples

    Rapport (Carbone Consomm/Dioxygne Consomm)50/66,7=0,75 mais aussi 50/133,33=0,375 0,75/0,375=2

    RapportRapport

    133,33/66,7=2

    c - Dalton Le carbone ragit avec du dioxygne

    9

    c - Dalton1 - Lhypothse atomique de Dalton

    Toute matire est constitue de particules lmentaires indivisibles lors des transformations chimiques. Ces particules microscopiques simples, qui ne peuvent tre fractionnes, indestructibles, sont appeles les atomes.

    10

    c - Dalton2 - La vision atomique de la matire

    Les atomesatomes sont dsigns par des symboles et ont des proprits. Une molmolculecule est une association d'atomes lisUn corps purcorps pur est un ensemble de molcules ou datomes identiques

    Corps simpleCorps simple : molcules constitues datomes de mme nature Corps composCorps compos : molcules constitues datomes de nature diffrente

    Un mmlangelange est un ensemble de molcules de nature diffrente

  • 4

    11

    c - Dalton

    Matire

    HomogneHtrogne

    Sparation physiquedes phases

    Corps simpleCorps compos ouEspce chimique

    Sparationchimique Atome

    Isotope

    mlange

    Sparationphysico-chimique

    Corps purs

    3 - La matire

    12

    c - Dalton4 - Masse atomique relative

    Comment peser des atomes au 18e s ?

    Hydrogne + Oxygne = Eau3 g 24 g 27 g

    Donc leau contient :24/27 *100 = 88.8 % doxygne3/27 * 100 = 11.1 % dhydrogne

    13

    c - Dalton4 - Masse atomique relative

    Comment peser des atomes au 18e s ?gaz hydrogne = 2 atomes dhydrognegaz oxygne = 2 atomes doxygneEau = 2 atomes dhydrogne et 1 atome doxygne

    Si MH = 1 u alors MO = 2 * MH * (88.8/11.1) = 16 u

  • 5

    14

    VI - Atome : pas si solide !Latome a une sous-structure

    Fin 19-dbut 20e siclelectron : Crookes, Perrin, Thomson, MillikanProton : GoldsteinNoyau : RutherfordNeutron : Chadwick

    15

    cathode

    - V +

    anode- +

    VI - Atome : pas si solide !

    Pompe vide

    fluorescence du verre

    Rayons cathodiques

    gazgaz

    10.000V10.000V

    < 0,01 atm

    < 0,1 atm

    a Llectron1 - Le tube de Crookes et dcouverte de llectron

    16

    a Llectron

    AnodesCathode

    Champs lectrique ou magntique

    q/m = 1,76 X 108 coulombs/gramme (C/g)

    -

    +

    2 - Thomson

  • 6

    17

    a Llectron3 - Le pain au raisin de Thomson

    L'atome est une sphre de densit uniforme.L'atome est fait de particulesngatives et de particulespositives. Le nombre de particulesngatives est gal au nombre de particulespositives, doncl'atome est neutre.

    18

    a Llectron4 - Millikan la charge des lectrons

    19

    a Llectron5 - Proprits

    q/m = 1,76 X 108 C/g

    q = 1,6 10-19 C

    m = 9 10-31 kg

  • 7

    20

    VI - Atome : pas si solide !

    CathodesAnode

    Champs lectrique ou magntique

    -

    +

    q/m = 9.59 X 104 coulombs/gramme (C/g)

    b Le noyau1 - Goldstein

    21

    a Llectron5 - Proprits

    q/m = 9,59 X 104 C/g

    q = 1,6 10-19 C

    m = 1,67 10-24 kg

    22

    b Le noyau2 - Rutherford et les radiations

  • 8

    23

    b Le noyau3 - Rutherford et le noyau

    24

    b Le noyau3 - Rutherford et le noyau

    25

    b Le noyau3 - Rutherford et le noyau

  • 9

    26

    b Le noyau4 Les neutrons de Chadwik

    27

    b Le noyau5 - Latome vu par Rutherford

    Un noyau est constitu de Z protons et de N neutronsLa charge totale vaut +Ze. Z est le numro atomiqueZ + N = A est le nombre de masse de l'atomeZ lectrons assurent la neutralit lectrique de l'atome. Ils voluent autour du noyau en formant le nuage lectronique

    28

    5 - Latome vu par RutherfordLa paire Z et A caractrise un atome. On appelle nuclnuclideide l'ensemble des atomes ainsi dfinis.On le symbolise par

    Un atome peut gagner ou perdre des lectrons. Il porte alors une ou des charges et devient un ionion. Un ion positif est appel cationcation. Un ion ngatif est un anionanion.

    6

    12C 9

    19FXAZ

    9

    19F

  • 10

    29

    5 - Latome vu par RutherfordOn appelle llmentment lensemble des nuclides de mme ZZLLElElmentment est constitu dun ensemble disotopesisotopes prsents en fonction de leur abondance naturelle

    C126 C136 C

    146

    30

    5 - Latome vu par Rutherford - Units

    Unit de masse atomiqueRfrence : 126C depuis 1961

    1 uma = 1/12 . m(126C) = 1,660540 . 10-24 gMole

    Nombre datomes dans 12 g de 126C purN = 12 /(12 * 1,660540 . 10-24) = 6,0221367 . 1023

    Masse molaireAtomique : M12C = 12 g/ mollment : MC = 12,011 g / mol

    31

    5 - Latome vu par Rutherford - Les limites du modle de Rutherford

    Le modle nexplique pas :Les proprits chimiquesLa valence Les spectres dmissions

    Et surtout La contradiction avec leslois de llectromagntisme

  • 11

    32

    V - Bohra - Vers le modle de Bohr

    1. Spectres lumineux

    2. Thorie quantique

    3. Niveaux dnergies

    33

    a - Vers le modle de Bohr

    5 10 9 10 11 10 13 10 17 10

    Radio Micro Infra-Rouge.

    lointain; proche

    Ultra-Violet Rx R

    15 10

    Visible

    Rouge Orange Jaune Vert Bleu Violet14 4,3 4,8 5,2 5,7 6,4 7 10

    3km 30cm 3mm 30m 300nm 3nm 3pm

    (Hz)

    = c/= c/

    1 - Spectres lumineux

    34

    a - Vers le modle de Bohr

    Lumire Blanche

    Prisme

    1 - Spectres lumineux

  • 12

    35

    1 - Spectres lumineux - Spectres atomiques

    i - mission

    Gaz chauff

    Collimateur

    Prisme

    Filmenregistreur

    36

    - Spectres atomiquesii - Absorption

    CollimateurPrisme Gaz

    Filmenregistreur

    37

    1 - Spectres lumineux

    HH

    NaNa

    HgHg

    NN

    Exemples de spectres dmission

  • 13

    38

    1 - Spectres lumineux

    - Spectre de lhydrognei - Balmer (1885) - Visible

    ii - Lyman UV

    iii - Pashen (3), Brackett (4) et Pfund (5) - IR

    HH

    5... 4, 3,121

    22 =

    = n

    nk

    5... 4, 3, 2,111

    2 =

    = n

    nk

    39

    - Spectre de lhydrogne

    iv - Rydberg (1890)

    RH constante de RydbergRH = 109 677 cm-1 ~ 1,1 107 m-1

    c = 299 792 458 m.s-1 ~ 3 108 m.s-1

    HH

    ...2 ,1 2... 1,11 11212221

    ++==

    = nnnn

    nncRH

    40

    a - Vers le modle de Bohr2 - Corps noir

    Concept invent par Kirchhoff (1859)

    TT11

    TT22TT33

    Puissancemise

    Longueur donde

  • 14

    41

    2 - Corps noir - Loi de Stefan-Boltzmann

    a = 56,7 10-9 Wm-2K-4

    M : puissance mise par unit de surface

    4aTM =

    42

    2 - Corps noir - Loi de dplacement de Wien

    m.K 2900max =T

    43

    2 - Corps noir - La solution de Planck : quantification

    Seules certaines valeurs dnergie sont possibles dans les changes rayonnement/matire

    h = 6,626 10-34 J.sn = 1, 2, 3

    hnE =

  • 15

    44

    a - Vers le modle de Bohr3 - Effet photo-lectrique

    45