A to Me Chap 1

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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 matire

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QUELQUESQUELQUES NOTIONSNOTIONS

SUR LA STRUCTURE DE LA MATIERESUR LA STRUCTURE DE LA MATIERE

Chapitre 1

Z > 83

N

Excs de

protons+

Excs de

neutrons-Zone de stabilit

20 40 60 80 100

50

10

0

15

0

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Particule symbole Masse Charge lectrique

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 proprits physiques

On voit que le proton et le neutron ont des masses sensiblement

identiques :

mp = mn = 1,67 10-27 kg.

Les particules lmentaires

Ces particules fondamentales ont t dcouvertes entre 1875 et 1910, ce sont :

Le Proton, le Neutron et lElectron.

Trois particules lmentaires de trs petites dimensions composent toute la matire de lUnivers, avec

ces trois briques fondamentales on peut construire tous les lments qui existent.

Llectron est une particule beaucoup plus lgre, sa masse est

approximativement 2000 fois plus faible que celle du proton ou du

neutron (mp/me = 1833).

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DfinitionL ATOME

En ralit latome nest pas indivisible puisque comme

nous venons de le voir, il est constitu des particules

fondamentales Protons, Neutrons et Electrons.

Atome(du grec atomos, indivisible), particule, constituant essentielde la matire caractristique d'un lment chimique. L'tymologie

grecque du mot atome souligne le caractre indivisible de cetteparticule fondamentale, qui tait considre comme indestructible.

Nous considrerons latome comme la plus petite particule dun lment

dtermin qui puisse exister.

Cette dfinition reste toutefois valable car sil est possible de

dtruire un atome dun lment quelconque pour obtenir les

particules lmentaires qui le composent, llment lui-mme

est dtruit au cours de cette opration.

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Diamtre de l'atome : 2 10-10 m

NOYAU

Z protons

N neutrons

Rayon : 10-14 m

Cortge lectronique

Z lectrons gravitant

autour du noyau

(pour un atome neutre)

Reprsentation symbolique d'un atome (modle plantaire)

Si l'chelle tait respecte la taille de l'atome, de l'ordre de grandeur de

l'Angstrm l'Angstrm(10-10 m) devrait tre 10000 fois plus grande que

celle du noyau (10-14 m).

Orbites lectroniques

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La Mole : unit de quantit de matire

La taille minuscule des atomes et leur masse

extrmement faible fait qu'il y a toujours un nombrenorme d'atomes dans le moindre chantillon de matire.

On a donc dfini une unit de quantit de matire plus

facile d'utilisation : la mole.

La mole est dfinie comme le nombre d'atome de carbone

12 contenu dans 12 g de carbone 12.

En pratique ce nombre est appel nombre d'Avogadro etvaut environ 6,022 10

23

.Une mole d'atome correspond 6,022 1023 atomes, une mole

d'lectrons correspond 6,022 1023 lectrons. etc.

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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 mlectronma = Z mp + N mn + Z me

La masse des lectrons est trs faible par rapport a celle des neutrons ou

des protons, nous pourrons donc la ngliger.

mp mn 1,67 10-27 kgma 1,67 10-27 (Z + N) 1,67 10-27 A

A = Z + N = Nombre de Masse

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L'atome tant trs petit on prfre utiliser la

masse molaire atomique qui correspond bien sur

la masse d'une mole d'atome (soit fois lamasse de l'atome).

A l'origine les chimistes ne connaissaient pas la

masse relle des atomes, ils avaient donc dfini unechelle relative des masses molaires atomiques en

comparant la masse des divers lments entre eux

en ayant choisi comme rfrence le carbone qui ils

avaient attribu arbitrairement une masse molaire

atomique de 12 g.

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Cette unit de masse adapte l'tude des objets

microscopique est dfinie comme tant le douzime de la

masse de l'atome de carbone.Une mole de carbone pesant par convention 12 g et

correspondant N atomes de carbone, un atome de

carbone pse donc 12 / N g et l'unit 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 une masse de Mu.m.a est quivalent

dire que sa masse molaire atomique est de Mg.mol-1.

L'unit de masse atomique :

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Comme nous l'avons vu plus haut la masse du proton (ou

celle du neutron) est justement pratiquement gale cette

masse de 1,67 10-27 kg.

mp mn 1 u.m.a

La masse de l'atome exprime en u.m.a ou sa masse

molaire exprime en g sont pratiquement gales 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 tre

utilise si on n'a pas besoin d'une prcision extrme.

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noyau

Cortge lectronique

simplifi

Z lectrons

Z protons N neutrons

Construction des divers atomes :

Un lment chimique est caractris par lenombre Z de protonscontenu

dans son noyau, selon le nombre N de neutrons prsents, il existe

plusieurs isotopes de cet lment.

Pour l'atome neutre ( l'exclusion des ions) Z lectrons vont graviter

autour du noyau. Nous tudierons plus loin la faon dont ces

lectrons s'organisent dans le cortge lectronique.

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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

Reprsentation symbolique des trois isotopes de l'lment Hydrogne

Reprsentation symbolique des trois isotopes de l'lment HliumH

1

1 H

2

1

H3

1

Hydrogne

normal

Deutrium Tritium

He3

2He

6

2

He4

2

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Un difice atomique est reprsent par un symbole

chimique Xcompos de une ou deux lettres, gauche de

ce symbole, on place en indice le numro atomique Z de

l'lment (nombre de protons) Dans le cas d'un ion la

charge de celui-ci sera prcise en exposant droite dusymbole X.

Le symboleXseul dsigne l'lment en gnral, si on veut dsigner

un isotope particulier on prcisera la composition exacte du noyau en

indiquant le nombreNde neutrons prsents. Dans la pratique ce n'esttoutefois pas N qui est indiqu mais la somme A = Z + N appele

Nombre de Masse. A est plac en exposant et a gauche du symbole

chimique.

A

XZ

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L'abondance relative des diffrents isotopes

Nous venons de voir qu'un mme atome pouvait

correspondre divers isotopes qui ne diffrent entre eux que

par le nombre de neutrons prsents dans le noyau. On

pourrait donc a priori imaginer une infinit d'isotopes

diffrents pour chaque lment.

Dans la pratique ce nombre d'isotopes est limit seulement quelques-uns. D'autre part, pour la plupart des atomes, un seuls des isotopes

stables est prsent en quantit apprciable dans la nature les autres

isotopes tant seulement prsents l'tat de traces.

On dsigne par abondance naturelle le pourcentage en

nombre d'atomes de chacun des isotopes prsents dans le

mlange naturel. Cette abondance est quivalente la

fraction molaire de chaque isotope stable.

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Ainsi le carbone prsente deux isotopes stables naturels :

appels couramment Carbone 12 et Carbone 13.

Nombre de Masse 12 13

Abondance 98,9 % 1,1%

Ces abondances seront supposes (et on peut le vrifier) identiques

quelle que soit la provenance du Carbone tudi qu'il s'agisse du

charbon extrait dans une mine de Pologne, d'un diamant extrait du sol

sud-africain ou de charbon de bois fabriqu dans les hauts de La

Runion.

Cette abondance naturelle a pu tre mesure et on la

trouve dans des tables.

On admet que l'abondance naturelle de chacun des

isotopes est toujours la mme quelle que soit laprovenance de l'chantillon tudi.

Leurs abondances naturelles sont les suivantes :

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Masse Molaire de l'lment :

M = xi Mi

Comme un lment est constitu d'un mlange de divers isotopes et

que les proportions de ces divers isotopes sont constantes on va

pouvoir dfinir pour chaque lment une masse molaire moyenne qui

tiendra compte de sa composition.

xi dsignant l'abondance naturelle de l'isotope i demasse molaire Mi.

Soit dans l'exemple du Carbone :

MC = 0,9889 * M(12C) + 0,011* (M

13C)

Si on n'a pas besoin d'une extrme prcision on pourra

assimiler les masses molaires de chacun des isotopes

leur nombre de masse.

MC = 0,9889 * 12 + 0,011* 13 = 12,02 g mol-1

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Pour certains lments, il existe d'autre part des

isotopes naturels ou artificiels instables appels

radioactifs.

Isotopes radioactifs instables

En raison de leur instabilit leur abondance varie au

cours du temps et n'est donc jamais prcise.

Ainsi deux isotopes radioactifs du carbone existent :

le Carbone 14 ( 6 protons, 8 neutrons) et le Carbone 11

(6 protons, 5 neutrons).

Cela nous amne discuter de la stabilit des atomes et

particulirement de celle de leur noyau.

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La stabilit des divers isotopes :

La radioactivit

Nous n'entrerons pas ici dans le dtail mais nous

noncerons simplement les principaux rsultats concernant

cette branche importante de la physique.

Parmi la centaine d'lments connus seul les 83 premiers (

l'exception du Techntium (Z=43) et du Promthium (Z=61)

possdent au moins un isotope stable.

A partir du Polonium (Z=84) il n'existe plus de nuclidesstables, ils sont tous radioactifs.

P l i l t d Z 30 t t l i t

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Pour les premiers lments de Z < 30 on constate que les isotopes

stables contiennent un nombre de neutrons sensiblement gal celui

des protons. Z = N.

Au del de Z = 30 les isotopes stables contiennent un nombre de

neutrons plus lev que celui des protons : N > Z.

Z = N

Z

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

1020

30

40

50

607080

90

100

110

120130

140

N

Zone de stabilit

Diagramme de stabilit des isotopes

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On peut expliquer simplement ce fait en considrant que

les protons chargs positivement se repoussent, l'ajout

de neutrons stabilise les nuclides par un effet de

"dilution" des charges positives qui en tant plusloignes les unes des autres auront tendance moins

se repousser.

Plus le nombre de protons augmente et plus le nombre de

neutrons devra augmenter pour que le nuclide soit stable.

Si le nombre de protons devient trop lev (Z >84) cet effet de

dilution des charges devient inefficace et il nexiste plus de noyaux

stables.

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Notons que le fait que les noyaux des atomes soient

stables implique obligatoirement l'existence de forces

d'intensit plus grandes que celle de la force

lectrostatique de Coulomb qui, si elle tait seule,

dtruirait le noyau.

Ces forces sont nommes forces nuclaires et sont au

nombre de deux la force nuclaire forte et la forcenuclaire faible que nous n'tudierons pas en dtail ici.

Le rapport entre le nombre de proton et le nombre de

neutron est le facteur principal qui va fixer la stabilit oul'instabilit d'un nuclide donn.

Il existe trois formes de radioactivit diffrentes :

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Radioactivit -Cette forme de radioactivit concerne les isotopes

instables qui possdent un excs de neutrons et sont donc

situs au dessus de la zone de stabilit.

De tels noyaux chercheront se stabiliser en augmentant

Z et en diminuant N.

On peut considrer que pour de tels nucldes un neutronse transforme en proton, la charge positive du noyau va

donc augmenter, ce qui n'est possible qu'a la condition

qu'une charge ngative quivalente soit ejecte du noyau.

Cette charge ngative correspond au dpart d'un lectron dunoyau.

(il se forme galement une particule lmentaire appele anti-neutrino )

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1

-1

La raction de transformation du neutron en proton

s'crit donc :

neutron proton + lectron + anti-neutrino

p1

n0

1

e0

Au cours de cette raction, le nombre de protons varie

et on transforme donc un lment en un autre, il s'agit

d'unetransmutation.

+

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Z + 1

A

Au cours de ces ractions les lments ne sont pas

conservs, en revanche la somme des nombres de

masse et la somme des numros atomiques se

conservent.

Elment X Elment Y + lectron + anti-neutrino

Z

A

e0X-1

Y +

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Le positron est l'anti-particule de l'lectron, il possde une

mme masse mais une charge oppose celui-ci.

Radioactivit +Il s'agit en quelque sorte du phnomne "inverse" du

prcdant.

De tel noyaux chercheront se stabiliser en augmentant Net en diminuant Z.

On peut considrer que pour de tels nucldes un proton se

transforme en neutron. Simultanment un positron est ject

du noyau.(il se forme galement un neutrino v)

Cette forme de radioactivit concerne les isotopes

instables qui possdent un excs de protons et sont donc

situs au dessous de la zone de stabilit.

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proton neutron + positron + neutrino

p1

1

n0

1

e1

0

Au cours de cette raction, le nombre de protons varie et on

transforme donc un lment en un autre, il s'agit ici aussi d'une

transmutation.

Elment X Elment Y + positron + neutrino

YZ - 1

Ae

1

0

Z

AX +

+

+

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Ici, le nombre des protons et celui des neutrons sont

modifis simultanment par mission de particules (noyaux d'Hlium 4 ).

Radioactivit Cette forme de radioactivit concerne essentiellement les

lments "lourds" de numro atomique Z > 83.

Elment X Elment Y + particule

He2

4

Z - 2

A - 4YX

Z

A


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Z > 83

N


Z

Excs de protons

+

Excs de neutrons-Zone de stabilit

20 40 60 80 100

50

100

150

Prvision a priori du type de radioactivit dun isotope instable

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Prvision a priori du type de radioactivit d un isotope instableIl suffit de comparer le nuclide instable avec un nuclide stable du mme

lment. Pour se stabiliser, lisotope instable va chercher se rapprocher

de la structure de lisotope stable.

Exemple du carbone (Z = 6)Isotopes stables : 12C : 6 protons et 6 neutrons et 13C: 6 protons et 7 neutrons

Isotope instable : 11C : 6 protons et 5 neutrons

Pour ressembler 12C il lui faudrait un neutron supplmentaire

Un proton va donc se transformer en neutron et le noyau va expulser une charge

positive : metteur+

Pour ressembler 13C il lui faudrait un neutron de moins

Un neutron va donc se transformer en proton et le noyau va expulser une charge

ngative : metteur-

Isotope instable : 14C : 6 protons et 8 neutrons

C6

11

B5

11e+

1

0+

C6

14

N7

14e-

-1

0+

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Energie de cohsion des noyaux - Energie Nuclaire

Nous avons signal prcdemment l'existences des

forces nuclaires (forte et faible) qui s'opposant la forcede Coulomb taient responsables de la stabilit (ou de la

cohsion) du noyau.

A ces forces sont associe une nergie appele nergie

de cohsion (ou parfois nergie de liaison) du noyau.

Le noyau est plus stable que ses lments (protons et

neutrons) spars, lors de la formation du noyau, il y a donc

libration d'nergie.

D'aprs la relation d'Einstein d'quivalence

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D aprs la relation d Einstein d quivalence

Masse - Energie

E = m C2

cette nergie correspond une masse.

En d'autre termes lors de la formation du noyau partir de

ces lments spars une partie de la masse des particules

est transforme en nergie.

La masse du noyau est toujours infrieure la somme des

masses de ces constituants, Il y a une perte de massem quise transforme en nergie avec

E = m C2

Pour dtruire le noyau il faudra fournir une nergie quivalente

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Pour dtruire le noyau, il faudra fournir une nergie quivalente.

Un noyau sera d'autant plus stable que son nergie de

cohsion sera grande.

Cette nergie de cohsion est de l'ordre du MeV/nuclon

(1 MeV = 106 eV = 1,6 10-13 J).

On peut porter sur un diagramme appel courbe d'Astonla reprsentation graphique de cette nergie moyenne de

cohsion en fonction du nombre A de nuclons.

La courbe obtenue prsente un maximum vers A = 60, les

atomes correspondant tant les atomes les plus stables qui

existent.

Courbe dAston : On porte lnergie moyenne de cohsion par nuclon

E/A en fonction de A

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A = Z + N

E / A (MeV/nuclon)

8,8

7,5

Courbe d'Aston

50 100 150 200 250

2

H

56

Fe

238

U

Zone de plus grande stabilit

0,5

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Les atomes dont l'nergie moyenne de liaison par nuclon

est faible ( de E / A < 7,5 MeV / nuclon) vont chercher a se

stabiliser et a se rapprocher de la zone de stabilit maximalevers A = 60.

Deux processus diffrents sont possibles :

La pente de la courbe d'Aston est trs importante pour la

zone des atomes "lgers" de A < 15.

Du cot des atomes "lourds" de A > 15 cette pente est

beaucoup plus douce.

FUSION FISSION

Atomes lgers Atomes lourds

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A = Z + N

E / A (MeV/nuclon)

8,8

7,5

Courbe d'Aston

50 100 150 200 250

Zone de plus grande stabilit

FISSION

Stabilisation des atomes lgers = FUSION

Stabilisation des atomes lourds = FISSION

FUSION

La fission nuclaire:

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La fission nuclaire:

Les atomes de nombre de masse trs levs, lorsque ils sont bombards

par des neutrons peuvent subir une cassure conduisant a des atomes

plus lgers et a des neutrons.

Les neutrons mis peuvent leur tour provoquer la fission d'atomes

voisins, on une raction en chane explosive.

Lors du processus il se produit une perte de masse et un

important dgagement d'nergie.

Cette raction n'est toutefois possible que si la masse de

l'chantillon utilis est suprieure une masse appele

masse critique.

Ce type de raction en chane quand il n'est pas contrl est

la base de la bombe atomique (Bombe A).

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L'nergie libre par ce type de raction est norme de

l'ordre de 200 Mev /atome (2 1013 J / mole).

La fission de 1 g d'Uranium 238 libre ainsi autant d'nergieque la combustion de 3 tonnes de charbon.

Ce qui explique que, malgr tous les problmes inhrents

cette technique (dchets etc), les centrales nuclaires aientt dveloppes et soient encore largement utilises.

On peut nanmoins contrler le processus pour obtenir une

libration d'nergie rgulire, on a alors une centrale

nuclaire.

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235

U

92

1

n

0

139

Ba

56

1

3 n

0

94

Kr

36

235

U

92

1

n

0

139

Xe

54

1

2 n

0

95

Sr

38

235

U

92

1

n

0

135

I

53

1

4 n

0

97

Y

39

Exemples de ractions de fission :

La Fusion nuclaire

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La Fusion nuclaire

Les atomes lgers vont chercher se stabiliser par raction

de fusion. Au cours de ce type de ractions, deux noyaux

lgers vont fusionner pour donner un atome plus lourd etdiverses particules.

Au cours de ce processus il va y avoir perte de masse et

important dgagement d'nergie.

Cette sorte de raction est l'origine de l'nergie des toiles.

C'est aussi la raction utilise dans les bombe H.

En raison de la forte pente de la courbe dAston pour les

atomes lgers ce processus est encore plus nergtique que

la fission. Des recherches sont toujours menes pour

domestiquer cette nergie mais on est encore loin d'une

utilisation pacifique de la fusion nuclaire.

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1

4 H

1

4

He

2

0

2 e1

Exemples de ractions de fusion :

2

H

1

3

H

1

4He

2

1n

0

+

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T BRIERE ATOMES Ch 1 41

CONCLUSION

Au cours de ce premier chapitre nous avons rappel

les notions essentielles concernant la structure de la

matire.

La matire est constitu datomes.

Nous nous sommes intresss plus particulirement

au noyau contenant des protons et des neutrons.

Lors des chapitres suivants nous nous intresseronsau cortge lectronique des atomes qui est la base

de la ractivit chimique des lments.

A to Me Chap 1

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