Chemistry General I (C1101) - 2019-2020 - جامعة لبناني PDF

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‫الجامعة اللبنانية‬ ‫كلية العلوم الفرع األول‬ 2019-2020 CHIMIE GÉNÉRALE – I (C1101) Portail: PCE Dr. Moustafa HAMIEH Fiche d’une unité d’enseignement Code Banner : C1101 Intitulée: Constitution et Etats de la Matière Code Portail Semestre Crédits CM TD intégrés Chimie 1 PCE 2 6 35 25 Chimie 3 CSVT 1 6 35 25  Sommaire Chapitre I et II : Atomistique et Classification Périodiques des Eléments Chapitre III et IV : Liaisons Chimiques Chapitre V : A. Thermodynamique Chimique/ Généralités B. Premier Principe de la Thermodynamique Chapitre VI : A. Deuxième Principe de la Thermodynamique B. Thermodynamiques des Equilibres Chimiques Chapitre V : Cinétique Chimique Dr. Hamieh Moustafa 2  Particules constitutives de l’atome ATOME Chaque atome de n’importe quel élément Noyau Environnement est construit des particules suivants: Protons (p) Electrons Neutrons Protons Neutrons (n) Electrons (e-) Charge +ve Charge neutre Charge -ve Découverte par 1,0073 uma 1,0087 uma 0,00054 uma 1,6727 x 10-24g 1,6750 x 10-24g 9,10940 x10-28 g Thomson Chadwick Goldstein Dr. Hamieh Moustafa 3  Particules constitutives de l’atome Un atome est représenté par l’écriture suivant: Nombre de masse A Numéro Atomique Z X Symbole de l’élément A= Z + N (N = nombre de neutrons) N=A–Z Pour un atome: Z = p = e- Pour un ion: Z = p ≠ e- Dr. Hamieh Moustafa 4  Particules constitutives de l’atome Isotopes : Atomes d’un même élément ayant même Z (ou P) mais différents A (ou neutrons) 1 2 3 1 H 1 H 1 H Proton Deutérium Tritium 16 17 18 8 O 8 O 8 O Dr. Hamieh Moustafa 5 ❖Le développement de la théorie atomique moderne repose sur deux grands types de recherche: 1. Le premier type : Traite la nature électrique de la matière. Les atomes sont composés de particules fondamentales Décrire les arrangements approximatifs de ces particules dans les atomes. 2. Le deuxième type: Porte sur l’interaction de la matière avec l’énergie sous forme de lumière. Il a permis de mieux comprendre les arrangements des particules dans les atomes. Il est devenu évident que l’arrangement des particules détermine les propriétés chimiques et physiques de chaque élément. Dr. Hamieh Moustafa 6  Dualité onde-particules Aspect ondulatoire: La lumière est une onde électromagnétique, et subit le phénomène de diffraction, elle est donc une onde et en possède toutes les caractéristiques (longueur d’onde  𝑐 (m), fréquence  (Hz ou s-1), célérité c (m/sec) : c’est la théorie ondulatoire de la lumière. 𝛾 =  Dr. Hamieh Moustafa 7  Dualité onde-particules Aspect corpusculaire: Planck et Einstein en 1906 ont développé un modèle corpusculaire: La lumière est une sorte de flux de grains d’énergie appelés photons. Chacun de ces photons: Est de masse nulle Se déplace à une vitesse c  3108 m/sec Son énergie est E = h ou h est la constante de Planck et  est la fréquence de la lumière associé. Certains expériences ont montré que la lumière ne ni seulement un flux de photons, ni une onde, mais les deux à la fois. C’est la dualité onde-corpuscule, développé par Louis De Broglie 1924 Dr. Hamieh Moustafa 8  Effet photoélectrique - Hertz (1887) / Lénard (1899) Ejection d’électrons à la surface d’un métal irradié par une lumière de courte longueur d’onde. (Le nombre d’électrons éjectés est proportionnel à l’intensité du rayonnement) L’émission d’électrons est instantanée dès que la fréquence  est supérieure à une fréquence seuil 0 caractéristique du métal irradie: h  = h 0 + ½ mv2 L’énergie cinétiques des électrons éjectés dépend de la fréquence du rayonnement (pas de son intensité) Dr. Hamieh Moustafa 9  Effet photoélectrique - Hertz (1887) / Lénard (1899) Photon incident Electron éjecté h: Energie du photon = E photon ½ mv2 = Energie cinétique de l’électron éjecté h0: Energie d’extraction (avec une vitesse nulle) (E0 = w0 ) Dr. Hamieh Moustafa 10  Spectre continue La décomposition de la lumière blanche par un prisme donne des surfaces continues de différentes couleurs Violet Turquoise Bleu vert Jaune Orange Rouge Le spectre continue comprend toutes les longueurs d’onde de la région visible. (400nm    800nm) Dr. Hamieh Moustafa 11 Dr. Hamieh Moustafa 12  Spectre discontinue On peut faire la même opération avec le rayonnement émis par l’hydrogène à titre d’exemple, lorsqu’il est traversé, sous faible pression par un courant électrique. Mais à l’inverse de ce qui est produit avec la lumière blanche, on observe des raies très fines, De teintes variées, séparées par de vastes espaces sombres. Dr. Hamieh Moustafa 13  Spectre discontinue On excite les atomes gazeux de la lampe par des décharges électriques. Le retour aux états inferieure s’effectue spontanément par émission de photons. Les niveaux d’énergie sont quantifies, on obtient une lumière émise formée de rais n2 Absorption Emission n1 Dr. Hamieh Moustafa 14  Modèle de Bohr Bohr (1885-1962) est sans doute l'un des savants les plus influents du XXe siècle, surtout en physique quantique. En 1922, il se voyait décerner le prix Nobel de physique pour ses travaux sur la structure de l'atome. Pour établir sa théorie, Bohr s’est basé sur la théorie quantique de Planck, d’après laquelle l’énergie est transportée par la lumière sous forme des paquets énergétiques appelées photons E = Nh, si N= 1 , E = h représente la plus petite quantité d’énergie transportée par un rayonnement de fréquence . Dr. Hamieh Moustafa 15  Modèle de Bohr La théorie quantique considère que la lumière possède un caractère corpusculaire alors que la théorie classique considère que la lumière possède un caractère ondulatoire où c=  . Les deux natures ne sont pas contradictoires, en effet la lumière est ondulatoire quand il s’agit de sa propagation dans l’espace ce qui explique les phénomènes optiques et elle est corpusculaire quand il s’agit du transport d’énergie. Dr. Hamieh Moustafa 16  Modèle de Bohr HYPOTHESE DE BOHR 1- Les électrons d’un atome se déplacent sur certaines orbites dont les rayons ne sont pas infiniment proches les uns des autres. (chaque orbite correspond à un niveau d’énergie). 2- L’énergie de l’électron est quantifiée c-à-d qu’elle ne peut prendre que certaines valeurs déterminées. 3- Au cours de son deplacement sur une orbite, l’électron ne rayonne pas (son énergie ne varie pas), il s’y stationne, c’est pourquoi on les appelle orbites stationnaires dont chacune est caractérisée par son rayon et son énergie. 4- L’état fondamental correspond à l’énergie minimale – Orbite proche du noyau. Dr. Hamieh Moustafa 17  Modèle de Bohr HYPOTHESE DE BOHR 5- L’électron rayonne quand il subit une transition d’une orbite supérieur à une orbite inferieure. La lumière émise est telle que ΔE = E2 – E1 = h n2 Absorption Emission n1 Dr. Hamieh Moustafa 18  Modèle de Bohr 1ere état excité Noyau Etat fondamental Electron Emission d’un Absorption d’un photon par photon par l’atome Dr. Hamieh Moustafa l’atome 19  Modèle de Bohr HYPOTHESE DE BOHR 1. Le premier postulat de Bohr : L’électron se déplace uniquement sur certaines orbites circulaires appelées « états stationnaires ». 2. Le second postulat de Bohr : Émission d’un rayonnement seulement si l’électron passe d’une orbite permise supérieure à une orbite permise inférieure: h = Ei – Ef où, h est la constante de Planck, Ei et Ef représentent l’énergie initiale (i) et l’énergie finale (f). 3. Le troisième postulat de Bohr : Le moment cinétique de l’électron ne peut prendre que des valeurs entières multiples de ħ: l = mvr = n = nh 2 Dr. Hamieh Moustafa 20  Modèle de Bohr Rayon et énergie d’une orbite Les états de mouvement permis aux électrons sont ceux lesquels le moment cinétique de l’électron est : l = mvr = n = nh 2 Le moment cinétique de l’électron est quantifié La mécanique classique permet de calculer le rayon d’une orbite supposé circulaire ainsi que l’énergie de l’électron sur cette orbite. Dr. Hamieh Moustafa 21  Modèle de Bohr Rayon et énergie d’une orbite Pour un atome d’hydrogène l’électron est soumis a deux forces : Fe = zq2/r2 ; Fc = mv2/r. Le système est en équilibre si Fe = Fc 2 2 v Zq m = 2 r r La théorie de Bohr s’applique seulement aux hydrogénoïdes: Dr. Hamieh Moustafa 22  Modèle de Bohr Le système est en équilibre (stabilité mécanique de l’électron) si Fe = Fc v2 q2 m =Z 2 r r 2 e avec q 2 = et  0 = 8,854 10 -12 Farad.m -1 4 0 2 2 2 Zq nh n h r= et mvr =  v = 2 mv 2 2π 4π m r 2 2 2 Dr. Hamieh Moustafa 23  Modèle de Bohr 2 2 Zq En remplaçant v par sa valeur dans r = 2 on obtient: mv n 2h 2 rn = 4 q mZ 2 2 2 2 2 n h 2 h Pour H (Z = 1) on a : rn = = kn avec k = 4 q m 2 2 4 2q 2 m Le premier rayon de Bohr correspond à n = 1 ce qui donne r = k = 0,529 A˚ Dr. Hamieh Moustafa 24  Modèle de Bohr Dr. Hamieh Moustafa 25  Modèle de Bohr L’énergie totale de l’électron (E) est égale à la somme de son énergie cinétique Ec et de son énergie potentielle électrique U (Ep) due à l’attraction de l’électron (charge –ve) situé à une distance r du noyau de charge +Ze. 2 1 Zq E = E c + U = mev − 2 2 r Dr. Hamieh Moustafa 26  Modèle de Bohr 2 1 Ze 2 2 2 - 4 2 1q Z q Z 1q Z 2 4πε 0 1 e mZ E= - =-  E= =- 2 r r 2 r kh 2 8 0 h n 2 2 2 Z 4 1em Avec - = -13,6 eV 8 ε0 h 2 2 2 2 Z -18 Z Parsuite E n = -13,6 2 (en eV) = -2,18 10 2 (en J) n n Dr. Hamieh Moustafa 27  Modèle de Bohr Lorsque l’électron subit une transition de n2 vers n1 (n2 > n1) un rayonnement émis sous forme d’un photon avec une énergie ΔE = h = E2 – E1 1 e 4 mZ2 1 e 4 mZ2 E1 = - 2 et E 2 = - 2 8 ε 0 h n1 2 2 8 ε0 h n 2 2 2 c 1 e 4 mZ2  1 1  E = h = h = E 2 - E1 =  -   8 ε0 2 h2  n2 2   1 n2  1 1 e 4 mZ 2  1 1   1 1    = RHZ   2 = - -  8 ε0 2 h 3c  n2 2   2 2   1 n2   n1 n2  Avec R H = 1,09737 10 7 m -1 Dr. Hamieh Moustafa 28  Modèle de Bohr Avec R’H = 2.18 x10-18 J Dr. Hamieh Moustafa 29 Le spectre d’émission de l’hydrogène contient 5 séries de raies, les longueurs d’onde calculées sont en accord avec celles déterminées expérimentalement IR Visible UV Dr. Hamieh Moustafa 30  Modèle de Bohr spectre de l’hydrogène Série nf ni Région n= 6 - 0,38 eV n=5 - 0,54 eV Lyman 1 2, 3, 4, 5 UV n= 4 - 0,85 eV Balmer 2 3, 4, 5, 6 Visible n= 3 - 1,51 eV Pashen 3 4, 5, 6, 7 IR n=2 - 3,40 eV Brackett 4 5, 6, 7, 8 IR - 13,6 eV n=1 Pfund 5 6, 7, 8, 9 IR Dr. Hamieh Moustafa 31  Modèle de Bohr La théorie de Bohr s’applique seulement sur l’atome d’hydrogène H et les hydrogènoïdes ZX(Z-1)+ comme : + 2+ 3+ 4+ 2He ; 3Li ; 4Be ; 5B Hydrogène et hydrogénoïdes: Systèmes à un seul électron Dr. Hamieh Moustafa 32