Chapitre II - Principaux Constituants de la Matière - 1ère Année CP - Chimie 1 PDF

1ère Année CP – Chimie 1 Chapitre II : Principaux constituants de la matière I/ Constitution de l’atome Un atome est formé d’un noyau dense chargé positivement qui contient des nucléons autour duquel gravitent des particules chargées négativement appelées électrons. L’égalité du nombre de proton...

1ère Année CP – Chimie 1 Chapitre II : Principaux constituants de la matière I/ Constitution de l’atome Un atome est formé d’un noyau dense chargé positivement qui contient des nucléons autour duquel gravitent des particules chargées négativement appelées électrons. L’égalité du nombre de protons et d’électrons assure la neutralité électrique de l’atome. Le noyau est caractérisé par sa petite taille par rapport à la taille globale de l’atome. En effet, le volume occupé par le noyau est négligeable par rapport au volume total de l'atome. Ainsi, le rayon de l'atome est d'environ 1 Å (10−10 m), tandis que celui du noyau est d'environ 1 fm (10−15 m). Par comparaison, si une balle de tennis représente un noyau, alors le rayon de l'atome serait d'environ 5 km. Le noyau est par ailleurs caractérisé par sa grande densité. La masse de l’atome est presque totalement concentrée dans le noyau. La densité du noyau est telle que la masse d’un ensemble de noyaux de la grosseur d’un pois serait de 250 millions de tonnes. Les neutrons n : particules neutres Nucléons : Les protons p : particules chargées positivement. Les particules élémentaires de l’atome sont caractérisées par leurs masses et leurs charges. Leurs dimensions sont de l’ordre du femtomètre (10−15 m). Charge Charge Particule Symbole Masse absolue (kg) Masse relative (u) absolue (C) relative Electron 0 −1e 9,11  10−31 0,000549  0,00 u − 1,6  10−19 −1 Proton 1 +1p 1,67  10−27 1,007276  1,00 u + 1,6  10−19 +1 Neutron 1 0n 1,67  10−27 1,008665  1,00 u 0 0 Les expériences qui ont permis de mettre en évidence l’existence de l’électron, du proton et du neutron et de les caractériser sont résumées en annexe. Numéro atomique ou nombre de charge Le numéro atomique noté Z est le nombre de protons contenus dans le noyau : Z = p Nombre de masse Le nombre de masse noté A est le nombre total de nucléons contenus dans le noyau : A = n + p = n + Z. Un atome est symbolisé par : X : symbole chimique A A : nombre de masse (nombre de nucléons) ZX Z : nombre de protons Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 1 1ère Année CP – Chimie 1 Un atome est constitué de Z protons, de A−Z neutrons et de Z électrons. Exemples : 35 40 32 40 14 15 17 38 38 38 18Ar 6C 7N 9F 16S 17Cl 18Ar Atome 17Cl 20Ca 16S Protons 17 20 16 18 6 7 9 16 17 18 Neutrons 18 20 16 22 8 8 8 22 21 20 Electrons 17 20 16 18 6 7 9 16 17 18 Définitions : Les atomes qui ont le même nombre de neutrons et des numéros atomiques différents sont isotones. Les atomes qui ont le même nombre de masse et des numéros atomiques différents sont isobares. Un ion est symbolisé par : Il est constitué de A y Z protons Si y > 0 → l’ion est un cation (Exemple : 40 2+ 20Ca ) ZX A−Z neutrons Si y < 0 → l’ion est un anion (Exemple : 35 − 17Cl ) Z−y électrons Remarque : Le cation Ca2+ et l’anion Cl− comptent le même nombre d’électrons. Ils sont isoélectroniques. II/ Définitions II-1/ Isotopes On appelle isotopes des atomes ou nucléides qui possèdent le même nombre de protons (Z identique) et des nombres de neutrons différents, c'est-à-dire que leurs nombres de masse A sont différents. 12 13 Exemple : 6C ; 6C ; 146C sont des isotopes du carbone avec respectivement n = 6 ; 7 et 8. II-2/ Éléments Le terme élément désigne l’ensemble des atomes et des ions ayant le même numéro atomique. Un élément est caractérisé par son symbole et son numéro atomique. Les éléments naturels sont presque toujours des mélanges d’isotopes à l’état de corps simples ou composés. La masse moyenne d’un élément est la moyenne des masses isotopiques pondérée par leur abondance relative. La masse moyenne d’un élément qui compte i isotopes est égale à la somme : ∑(Mi × wi ). Mi et wi étant, respectivement, la masse et l'abondance relative de l'isotope i. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 2 1ère Année CP – Chimie 1 Exemple : Un échantillon de néon contient toujours : 20 21 22 10Ne (19,992 u ; 90,48 %) ; 10Ne (20,994 u ; 0,27 %) ; 10Ne (21,991 u ; 9,25 %). Les proportions sont exprimées en pourcentage massique. La masse du néon naturel est donc : MNe = (M20 10Ne × 90,48 %) + (M21 10Ne × 0,27 %) + (M22 10Ne × 9,25 %) 90,48 0,27 9,25 MNe = (19,992 u × ) + (20,994 u × ) + (21,991 u × ) 100 100 100 MNe = 20,180 u Remarque : Les masses reportées dans le tableau périodique sont des masses moyennes. II-3/ Séparation des isotopes La masse des atomes est mesurée, indirectement, au moyen de spectromètres q de masse. Ce sont des appareils qui mesurent le rapport de l'atome ionisé, q M étant la charge de l'ion et m sa masse. Si l'ion porte une charge +e, la masse de l'atome est corrigée en ajoutant la masse me d'un électron à la masse m déterminée expérimentalement (M = m + me). L'autre utilité des spectromètres de masse est qu'ils permettent de séparer les isotopes d'un même élément. Il existe plusieurs types de spectromètres de masse : spectromètres de Aston, de Dempster, de Bainbridge,... Un spectromètre de masse est constitué de quatre parties où règne un vide très poussé : 1/ Une source d'ions : c'est un faisceau d'électrons émis par un filament chauffé qui sert à ioniser des atomes injectés dans le spectromètre à l'état gazeux. L'échantillon injecté est un mélange isotopique. 2/ Un accélérateur d'ions : dans cette partie du spectromètre, les ions sont soumis à un champ électrique. Ils y entrent à travers une première fente avec une vitesse négligeable, ils sont accélérés par une tension U > 0 et ressortent à travers une deuxième fente avec une vitesse v. 3/ Un aimant permanent : dans cette partie du spectromètre, les ions sont déviés de leur trajectoire rectiligne par un champ magnétique B créé au moyen d'un aimant permanent. Leurs trajectoires sont alors des demi-cercles dont les rayons Ri dépendent des masses mi des isotopes. Le rayon de la trajectoire augmentant avec la masse. 4/ Un détecteur d'ions : les ions déviés impressionnent une plaque photographique et permettent de recueillir sur le détecteur des particules de même masse. Les spectromètres de masse sont construits de sorte que la position du détecteur permet de déterminer le rayon R de la trajectoire. Voir les schémas des différentes parties du spectromètre de masse donnés en annexe. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 3 1ère Année CP – Chimie 1 Connaissant la charge q, le potentiel appliqué entre les plaques de l'accélérateur, U, le champ magnétique B créé par l'aimant permanent de la chambre de déviation et le rayon R de la trajectoire des ions déviés, on peut déterminer la masse m de la particule au moyen de l'expression suivante : q 2×U = 2 m B × R2 Exemple : Considérons la figure ci-dessous schématisant la séparation de deux isotopes 1 et 2 d’un élément quelconque. R1 et R2 sont les rayons des trajectoires de leurs ions respectifs. La charge des ions 1 et 2 étant q1 et q2 respectivement. Une fois les particules 1 et 2 détectées par le détecteur d'ions, il suffit d’utiliser l’expression donnée ci-dessus pour calculer leurs masses respectives m1 et m2 : B 2 × R1 2 m1 = × q1 2×U B2 × R22 m2 = × q2 2×U Remarque : R1 < R2, donc m1 < m2. Démonstration : Si U est le potentiel appliqué entre les plaques de l'accélérateur et q la charge portée par chaque particule accélérée, l'énergie électrique Eélec correspondante est : Eélec = q × U (1) Cette énergie est transmise à la particule sous forme d'énergie cinétique, donc : 1 q × U = mv 2 (2) 2 m et v étant la masse et la vitesse de la particule respectivement. Si B est le champ magnétique créé par l'aimant permanent, la force magnétique qui agit sur la particule, appelée force de Lorentz, est donnée par : Fmagn = q × v × B (3) Cette force est égale à la force centrifuge qui s'applique sur la particule lorsqu'elle est déviée de sa trajectoire linéaire suivant un cercle de rayon R : Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 4 1ère Année CP – Chimie 1 mv 2 q×v×B= (4) R En élevant au carré les deux membres de l'égalité (4), on obtient : 2 2 m2 v 2 q ×B = (5) R2 Et d'après l'expression (2), on peut écrire : 2×q×U×m q2 × B 2 = R2 C'est-à-dire : q 2×U = 2 m B × R2 Et lorsque la charge q est égale à la charge élémentaire (q = e), on a : e 2×U = 2 m B × R2 Dans les spectromètres de masse, les forces des champs électriques et magnétiques sont soigneusement ajustés, de sorte que tous les ions de la même masse sont concentrés au même point sur la plaque photographique sur laquelle une ligne (ou un spot) s'impressionne. La plaque, une fois développée, porte le nom de spectrogramme de masse. Chaque ligne observée sur le spectrogramme de masse indique l'existence d'un isotope séparé et l'intensité de la ligne par rapport aux lignes d'autres isotopes donne l'abondance relative de cet isotope particulier. Exemple : La figure suivante donne le spectrogramme de masse du chlore qui compte deux isotopes : 35Cl (75,8 %) et 37Cl (24,2 %) Le spectrogramme de masse permet d’obtenir le spectre de masse. C’est un diagramme dont l’axe horizontal donne le rapport m/e (e étant la charge élémentaire) et l’axe vertical donne l’abondance relative des ions détectés par le spectromètre de masse. L’exploitation des spectres de masse permet alors de connaître la composition isotopique des éléments et permet de calculer leurs masses moyennes. La figure suivante donne le spectre de masse du magnésium qui compte trois isotopes : 24Mg (79 %) ; 25Mg (10 %) ; 26Mg (11 %) Spectrogramme de masse du magésium → Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 5 1ère Année CP – Chimie 1 Annexes Chapitre II : Principaux constituants de la matière Annexe 1 Modèles atomiques classiques et expériences de mise en évidence et de caractérisation des particules subatomiques Modèle atomique de Dalton Au début du 19ème siècle (1808), John Dalton (1766–1844), chimiste, mathématicien et philosophe anglais, établit sa théorie atomique dans laquelle il considérait que les atomes étaient des particules élémentaires constituant la matière et que ces particules étaient indivisibles et indestructibles. Le modèle atomique de Dalton (1808) s’inscrit ainsi dans la continuité des hypothèses des anciens philosophes indiens et grecs. Elle est basée sur deux lois : la loi de conservation de la masse et la loi des proportions définies. Notons que Dalton a lui-même établi la loi des proportions multiples, qui complète les lois pondérales de la chimie. Les lois pondérales de la chimie sont à la base des calculs relatifs aux réactions chimiques. Elles sont au nombre de trois : La loi de conservation de la matière (Antoine Lavoisier) stipule que « au cours d’une réaction chimique, la masse totale des produits est égale à la masse totale des réactifs consommés ». La loi des proportions définies (Joseph Proust) stipule que « quand deux corps réagissent ensemble pour en former un autre, le rapport entre les masses de chaque réactif qui ont été consommées dans la réaction est constant ». La loi des proportions multiples (John Dalton) stipule que « quand deux éléments se combinent pour former une série de composés, les masses de l’un des constituants s’unissant à une même masse de l’autre sont toujours dans le rapport de nombres entiers simples ». Dès la fin du 19ème siècle, les travaux de plusieurs scientifiques contredisent le modèle de Dalton en démontrant expérimentalement que l'atome est constitué de particules subatomiques. Découverte de l'électron. Les rayons cathodiques Production des rayons cathodiques La première indication de la nature complexe de l'atome a été obtenue à partir d'une étude de la conduction de l'électricité à travers des gaz à pression réduite par Julius Plucker en 1859. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 6 1ère Année CP – Chimie 1 Le dispositif utilisé consistait en un tube de verre cylindrique de 30 cm de long et 4 cm de diamètre, appelé tube à décharge, fermé aux deux extrémités, muni d'électrodes métalliques et d'un robinet latéral destiné au raccordement du tube avec une pompe à vide et un manomètre à basse pression. Les deux électrodes étaient connectées à une batterie haute tension (10 000 volts et plus). L'électrode connectée à la borne négative de la batterie est appelée cathode (−) et celle connectée à la borne positive est appelée anode (+). Lorsque la majeure partie du gaz contenu dans le tube est retirée au moyen de la pompe à vide, la pression du gaz dans le tube est réduite à environ 0,001 mmHg. On observe, alors, qu'en appliquant une haute tension à travers les électrodes métalliques, les parois du tube commencent à émettre une lumière bleutée ou verdâtre selon la composition du verre dont est fabriqué le tube. Des rayons de lumière sont émis par la cathode et se déplacent perpendiculairement et à grande vitesse vers l'anode. Ces rayons ont été nommés par Goldstein (1876) rayons cathodiques car ils provenaient de la cathode. Production des rayons cathodiques En 1879, W. Crookes démontre que les rayons cathodiques se déplacent en lignes droites perpendiculairement à la surface de la cathode et que la direction du faisceau n'est pas affectée par la position de l'anode. Son expérience consistait à placer un objet, de forme particulière, sur la trajectoire des rayons cathodiques et d'observer l'impression de son ombre sur l'écran fluorescent du tube à décharge. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 7 1ère Année CP – Chimie 1 Ombre de Anode l’objet métallique (+) Objet métallique Tube cathodique Cathode (-) − Rayons cathodiques + Ecran fluorescent − + Vers pompe à vide Haute tension ( 15 000 Volts) Les rayons cathodiques se déplacent en lignes droites perpendiculairement à la surface de la cathode Charge négative des rayons cathodiques Les particules constituant les rayons cathodiques sont chargées négativement. Pour rendre compte de cette propriété, deux expériences ont été réalisées par J. J. Perrin en 1895 et J. Thomson en 1897, respectivement. Leurs études ont montré que les rayons cathodiques étaient déviés de leur trajectoire par des champs électrique et magnétique et que la déviation était caractéristique d'une charge négative des rayons. Les particules chargées négativement constituant les rayons cathodiques ont été nommées électrons par J. J. Thomson. Impact du faisceau Anode perforée de rayons cathodiques (+) Faisceau de rayons cathodiques Cathode Rayons cathodiques (-) (a) Trajectoire des rayons cathodiques dans un tube à décharge à travers une anode perforée. − + Vers pompe à vide Haute tension ( 15 000 Volts) Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 8 1ère Année CP – Chimie 1 Plaques d’un condensateur Impact du faisceau de Anode perforée rayons cathodiques déviés (+) + Cathode Rayons cathodiques (-) (b) Déviation de la trajectoire des rayons cathodiques par un champ électrique. − − + Vers pompe à vide Haute tension ( 15 000 Volts) Champ magnétique Impact du faisceau de Anode perforée rayons cathodiques déviés (+) Cathode Rayons cathodiques (-) S (c) Déviation de la trajectoire des rayons cathodiques par un champ N magnétique. − + Vers pompe à vide Haute tension ( 15 000 Volts) Les rayons cathodiques sont constitués de particules chargées négativement appelées électrons Détermination du rapport e/m des électrons par la méthode de Thomson Le comportement des rayons cathodiques soumis à un champ électromagnétique a permis à J. J. Thomson de déterminer le rapport (charge/masse) des électrons en 1897. Son expérience consistait à observer l'impact du faisceau de rayons cathodiques soumis à un champ électrique A, puis à imposer un champ magnétique perpendiculaire au champ électrique, de sorte à compenser la déviation due au champ électrique. Le point d'impact est alors B. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 9 1ère Année CP – Chimie 1 Impact du faisceau de rayons cathodiques dévié Anode perforée par le champ électrique (+) + Cathode Rayons cathodiques (-) A S N B − Impact lorsque la déviation due au Vers pompe − + à vide champ électrique est compensée par celle d’un champ Haute tension ( 15 000 Volts) magnétique Expérience de Thomson pour la détermination du rapport e/m des électrons Le rapport e/m peut alors être calculé à partir de la mesure de AB. Ce rapport est indépendant de la nature de la cathode et vaut e/m = −1,759  1011 C/kg. Résumé des caractéristiques des rayons cathodiques 1. Les rayons cathodiques se déplacent en ligne droite à grande vitesse. 2. Ils sont constitués de particules matérielles. 3. Les rayons cathodiques sont chargés négativement et les particules négatives qui les constituent sont appelées électrons. 4. Les rayons cathodiques produisent un effet chauffant. 5. Ils provoquent l'ionisation du gaz qu'ils traversent. 6. Ils produisent des rayons X lorsqu'ils frappent la surface de métaux durs comme le tungstène, le molybdène, etc. 7. Ils produisent une fluorescence verte sur les parois de verre des tubes à décharge. 8. Ils affectent les plaques photographiques. 9. Ils possèdent un effet pénétrant, c'est-à-dire qu'ils peuvent, par exemple, traverser facilement de fines feuilles de métaux. 10. La nature des rayons cathodiques ne dépend pas de la nature du gaz contenu dans le tube à décharge, ni de la nature du matériau de la cathode. 11. Le rapport de la charge sur la masse, e/m, des particules négatives constituant les rayons cathodiques est constant quelles que soient les conditions opératoires. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 10 1ère Année CP – Chimie 1 Détermination de la charge de l'électron par la méthode de Millikan La charge des électrons a été déterminée en 1907 par Millikan. Son expérience consistait à observer le mouvement de fines gouttelettes d'huile entre les plateaux d'un condensateur plan chargés de façon intermittente. Les gouttelettes d'huile étaient chargées en ionisant leur environnement à l'aide de rayons X, puis l'étude de leurs mouvements de montée et de descente, lorsqu'elles étaient alternativement soumises ou non au champ électrique, permettait de calculer la valeur de la charge portée. Pulvérisateur (injection de fines gouttelettes d’huile Gouttelettes d’huile L'expérience de Millikan montre que les charges portées par les Gouttelette gouttelettes d'huile sont des multiples observée Plaque chargée (+ ) entiers d'une charge élémentaire : perforée Télescope e = −1,602  10−19 Coulombs. La masse de l'électron a alors pu être Source de rayons X déduite des expériences de Thomson et de Millikan : me = 9,108  10−31 kg. Plaque chargée (− ) Expérience de Millikan Découverte du proton. Les rayons anodiques Rayons anodiques produits par l’anode Rayons cathodiques produits par la cathode Anode (+) En 1886, le physicien allemand, E. Cathode perforée (-) - - Goldstein, a observé que lorsqu'une + + + + grande différence de potentiel était - - + + + appliquée entre les électrodes d'un - + + - tube à décharge muni d'une cathode Lueur produite par les rayons perforée, des rayons colorés anodiques provenaient de l'anode provoquant Vers pompe une lueur du côté opposé à celle-ci. + − à vide Haute tension ( 15 000 Volts) Production des rayons anodiques En 1896, W. Wien a montré que les rayon émis pouvaient être déviés par un champ magnétique et à partir de la direction de déviation, il a établi que les rayons anodiques étaient constitués de particules chargées positivement et J. J. Thomson les désigna sous le nom de rayons positifs. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 11 1ère Année CP – Chimie 1 Le phénomène observé dans le tube à décharge peut s’interpréter de la façon suivante : Lorsqu'une haute tension est appliquée entre les électrodes du tube à décharge rempli d'un gaz sous pression réduite, les molécules du gaz se dissocient en atomes. Par ailleurs, l’étude des rayons cathodique a montré que des électrons sont émis par la cathode sous l’effet de la haute tension. Ainsi, les électrons émis sont accélérés vers l'anode et entrent en collision avec les atomes formés à partir du gaz contenu dans le tube à décharge. À la suite des collisions, des électrons sont éjectés des atomes neutres et les atomes sont ionisés. Les ions positifs générés lors des collisions d'électrons et d'atomes sont alors accélérés vers la cathode sous l’effet du champ électrique de haute tension. Certains des ions traversent la cathode perforée et frappent l'écran fluorescent qui s’éclaire. Ainsi, les rayons positifs sont constitués d’ions chargés positivement formés à partir du gaz contenu dans le tube à décharge et la détermination du rapport e/m des particules positives a montré que celui-ci était différent pour différents gaz. La particule positive obtenue à partir d'hydrogène gazeux est ainsi la plus légère parmi toutes les particules positives issues de différents gaz. Rutherford a nommé cette particule proton. Résumé des caractéristiques des rayons anodiques 1. Les rayons anodiques se déplacent en ligne droite, mais leur vitesse est bien inférieure à celle des rayons cathodiques. 2. Ils sont constitués de particules matérielles. 3. Ils sont chargés positivement et les particules positives qui les constituent sont les ions des gaz contenus dans le tube à décharge. 4. La nature des rayons anodiques dépend pas de la nature du gaz contenu dans le tube à décharge. 5. Le rapport de la charge sur la masse, e/m, des particules positives constituant les rayons anodiques varie selon la nature du gaz contenu dans le tube à décharge. Modèle atomique de Thomson Sur la base des résultats des études sur les rayons anodiques et cathodiques, Thomson a proposé en 1904 son modèle atomique. Il considérait l'atome comme une sphère contenant une substance chargée positivement distribuée uniformément dans tout son volume, les électrons étant répartis dans la sphère de sorte que l'atome soit électriquement neutre. Découverte du neutron Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 12 1ère Année CP – Chimie 1 Jusqu’en 1932, il a été postulé qu'un atome n'était composé que de protons et d'électrons, et que la masse d'un atome était due à la masse des protons présents dans le noyau, la masse des électrons étant négligeable. Rutherford a fait remarquer que les masses atomiques d'atomes différents ne pouvaient pas être expliquées si l'on supposait que l'atome était composé uniquement de protons et d'électrons et il a prédit vers 1920 que des particules neutres ayant une masse égale à celle des protons devaient être présentes dans le noyau. En 1932 James Chadwick a découvert ces particules neutres, découverte pour laquelle il a reçu le prix Nobel de physique en 1935. Son expérience consistait à bombarder des noyaux légers tels que le lithium ou le béryllium par des rayons  et d'observer l'émission d'un rayonnement pénétrant constituée de particules électriquement neutres que Chadwick nomma neutrons. Polonium Noyaux d’hélium 9 4 12 1 4Be + 2He → 6C + 0n Découverte des neutrons Modèle atomique de Rutherford Rutherford (lord Ernest) (1911) bombarda une mince feuille d’or (d’une épaisseur de près de 4×10-7 m) avec un faisceau de particules  ( 42He2+ ) provenant de la désintégration radioactive du radium (88Ra) et il observa au moyen d’un écran fluorescent la trajectoire des particules. Il observa : 1/ La plupart des particules  traversent la feuille d’or sans être déviées (1). Ce comportement a été commenté par Rutherford qui l’assimila à tirer sur un fantôme. 2/ Certaines particules  sont fortement déviées en traversant la feuille d’or (2). 3/ Certaines particules  (dans un rapport de 1/20000) sont renvoyées en arrière (3). Ce dernier comportement a été commenté par Rutherford qui l’assimila, au niveau macroscopique, à tirer un coup de canon sur une feuille de papier de soie et à voir revenir l’obus en arrière et vous toucher. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 13 1ère Année CP – Chimie 1 L’interprétation des résultats de cette expérience a permis à Rutherford de tirer les conclusions suivantes : Vide Détecteur (sulfure de zinc ZnS) Feuille d’or (0,4 mm) Collimateur Impact en plomb 2 2 1 3 2 Source radioactive (88Ra) Emission de particules  Trajectoire non déviée Trajectoires déviées Expérience de Rutherford L’interprétation des résultats de cette expérience a permis à Rutherford de tirer les conclusions suivantes : 1/ La majeure partie de l'espace dans l'atome est vide puisque la plupart des particules  (1) ont traversé la feuille sans déviation. Les électrons qui sont dans l’espace internucléaire n’opposent, pour leur part, pas de résistance au passage des particules  dont la taille est nettement supérieure à la leur (8 000 fois). 2/ Quelques particules  (2) ont été déviées et d’autres ont été rétroéjectés (3). La déviation doit être due à une grande force de répulsion qui prouve que la charge positive de l'atome n'est pas répartie dans tout l'atome comme Thomson l'avait supposé. En fait, la charge positive doit être, d’après Rutherford, concentrée dans un très petit volume, le noyau, qui repousse et détourne les particules . De plus, le noyau doit être massif, puisqu’il permet la rétroéjection des particules qui le percutent frontalement. La présence des neutrons dans le noyau peut expliquer cette importante densité du noyau. Suite à cette expérience, Rutherford proposa un modèle planétaire de l'atome : les électrons, portant les charges négatives, sont, d’après ce modèle, satellisés autour d'un noyau positif très petit et très dense. Ceci suppose que le mouvement des électrons autour du noyau est assuré par une force centrifuge qui s’oppose à l’attraction électrostatique entre le noyau et les électrons de charges opposées. La figure suivante illustre l’atome selon ce modèle. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 14 1ère Année CP – Chimie 1 https://www.alloprof.qc.ca/fr/eleves/bv/sciences/l-histoire-du-modele-atomique-s1109 Ce modèle a été abandonné en raison de nombreuses contradictions avec l'expérience. En particulier : Selon la théorie électromagnétique de Maxwell, lorsqu'une particule chargée se déplace sous l'influence d'une force d'attraction, elle perd continuellement de l'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Le modèle de Rutherford suggère donc qu'un électron tournant autour du noyau devrait rayonner de l'énergie et donc perdre de l'énergie à chaque tour et se rapprocher de plus en plus du noyau en suivant un chemin en spirale. Le schéma suivant donne une illustration de ce phénomène. Ainsi, il ralentirait au point de s'écraser sur le noyau d'après les lois de l’électromagnétisme. En fait, le modèle de Rutherford ne peut pas expliquer la stabilité de l'atome. Le modèle de Rutherford suppose qu’en perdant de l'énergie en continu, le rayonnement de l’atome devrait être continu. Cette hypothèse est contredite par l’expérience qui révèle que l’atome d’hydrogène, par exemple, ne rayonne que sous l'effet d'une perturbation extérieure et possède un spectre d’émission discontinu constitué de raies bien définies. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 15 1ère Année CP – Chimie 1 Spectre d’émission de l’hydrogène Les contradictions du modèle de Rutherford ont été en partie levées grâce à la théorie de Bohr qui postule que les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais quantifiées, que seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron et que ce n'est que lorsque celui-ci passe d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre, ou absorber de la lumière. Annexe 2 Séparation des isotopes par spectrométrie de masse Les figures suivantes donnent une illustration des différentes parties d’un spectromètre de masse : Faisceau d’électrons Molécules neutres (jet gazeux) + − Filament chauffé + Molécules ionisées (ions gazeux) + + + − Accélérateur d’ions + + Aimant permanent Ions déviés suivant des trajectoires circulaires de différents rayons Détecteur d’ions Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 16  1ère Année CP – Chimie 1 Chambre Ions d’ionisation positifs r1 < r 2 < r 3 + Chambre m1 < m2 < m3 Détecteur U − d’accélération de particules r1 r3 v r2 B Chambre de déviation Différences entre les spectromètres de Dempster et de Bainbridge https://portal.education.lu/Portals/32/documents/recueils_ex_pdf/1_com_nat_recueil_exercices_IeBC.pdf Spectromètre Dempster Spectromètre Bainbridge Les ions entrent dans la chambre de déviation avec la même énergie Les ions entrent dans la chambre de déviation 1 avec la même vitesse v = cte cinétique mv 2 = cte 2 (1) Chambre d’ionisation ; (2) Chambre d’accélération ; (3) Chambre de déviation ; (4) Détecteur de particules Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 17  1ère Année CP – Chimie 1 Remarques concernant la vitesse des particules dans le filtre de vitesse du spectromètre de Bainbridge Le filtre de vitesse permet de sélectionner uniquement les ions dont la vitesse est égale E à v =. Les champs, électrique, ⃗E, et B magnétique, B ⃗ , sont ceux appliqués dans le filtre de vitesse dans lequel les forces électrique et magnétique doivent se compenser pour que la trajectoire des particules soit linéaire. ⃗ et B E ⃗ étant respectivement les champs électrique et magnétique, on a : Félec = q × E et : Fmagn = q × v × B. Avec : Félec = Fmagn : E q×E=q×v×B⇒v= B Les ions dont les vitesses sont supérieures ou E inferieures à v = , sont déviés de la trajectoire B M.N. Avadhanulu et al., A TEXTBOOK OF ENGINEERING PHYSICS linéaire et ils sont ainsi bloqués à l’intérieur du filtre et seuls les ions dont la vitesse est E exactement égale à sont detectés dans la B chambre de déviation. Annexe 3 Méthode polynomiale de calcul de la distribution isotopique des molécules polyatomiques polyisotopiques Lorsqu'un échantillon comporte des molécules polyatomiques di-isotopiques, la distribution isotopique, c'est à dire le nombre d'espèces (nombre de pics dans le spectrogramme) et l'abondance relative de chaque espèce, peut être évaluée au moyen du binôme (a + b)n. Si a et b désignent les abondances des deux isotopes respectivement et si n est le nombre de l'élément chimique dans la molécule, le nombre de pic dans le spectrogramme correspond au nombre de termes résultant du développement de l'expression binomiale (a + b)n et chaque terme correspond à l'abondance relative d'une espèce. Exemples : He (3He ; 4He) : (A 3He + A 4He )1 = A 3He + A 4He : 2 termes (2 pics dans ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ le spectre de masse) ; chaque terme donne l'abondance isotopique de l'isotope correspondant. Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 18 1ère Année CP – Chimie 1 H2 (1H ; 2H) : (A 1H + A 2H )2 = (A 1H )2 + 2A 1H A 2H + (A 2H )2 : 3 termes (3 ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ pics dans le spectre de masse) ; chaque terme donne l'abondance de la molécule formée par le (ou les) isotopes correspondants. Cette méthode de calcul peut être généralisée aux molécules polyatomiques poly-isotopiques. Dans ce cas, la distribution isotopique peut être évaluée au moyen du produit de polynômes suivant : (a1 + a2 + a3 +...)m  (b1 + b2 + b3 +...)n  (c1 + c2 + c3 +...)o ... où a1, a2, a3 etc. sont les abondances individuelles des isotopes d'un élément. b1, b2, b3 etc. sont celles d'un autre élément, et ainsi de suite, jusqu'à ce que les abondances individuelles des isotopes de tous les éléments composant la molécule soient inclus dans l'expression. Les exposants m, n, o, etc. donnent le nombre d'atomes de ces éléments dans la molécule. Exemple : La distribution isotopique du composé C19H35O2Cl3 peut être obtenue à partir de l'expression polynomiale suivante : (A 12C + A 13C )19 × (A 1H + A 2H )35 (A 16O + A 17O + A 18O )2 × (A 35Cl + A 37Cl )3. ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ ⬚ Le nombre important de termes pour ce type de molécules explique la nécessite d'utiliser des outils informatiques dans ces cas. Annexe 4 Energie de cohésion et stabilité de l’atome Un noyau est formé de neutrons (neutres) et de protons chargés positivement. Il existe donc des forces répulsives au sein du noyau. La cohésion du noyau est assurée par des forces plus grandes qui compensent les forces de répulsion entre les protons. Exemple : La réaction nucléaire de formation du noyau d’hélium 42He à partir de ses nucléons s’écrit : 2 × 11p + 2 × 10n → 42He La masse théorique de l'hélium, calculée en faisant la somme des masses des nucléons, est mth = (2  mp) + (2  mn) = 4,0316 uma. La masse réelle du noyau d’hélium est mréelle = 4,0015 uma. La réaction de formation du noyau d’hélium s’est accompagnée d’une perte de masse (défaut de masse) : m = 0,0301 uma m = masse réelle du noyau (mréelle) − masse totale des nucléons (mth) La perte de masse |∆m| est ‘‘rendue’’ par le système sous forme d’énergie. C’est l’énergie d’Einstein ou énergie de cohésion du noyau : Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 19 1ère Année CP – Chimie 1 E = |∆m|  c2 = Eliaison c : vitesse de la lumière dans le vide (≈ 3108 m/s) Remarque : Lorsque m est exprimé en kg et c en m.s−1, l’unité de E est le joule. Mais il est habituel de convertir E en électron volt (eV) ou en méga électron volt (MeV), unités d’énergie plus adaptées à l'ordre de grandeur des énergies mises en jeu à l'échelle atomique. Définition : L’électron volt (eV) est une unité d'énergie dont la valeur est égale à l'énergie cinétique acquise par un électron (de charge e) au repos soumis à une différence de potentiel (U) de 1 volt : Ecin (1 eV) = e  U = 1,60210−19 C  1V = 1,602 10−19 J. C’est-à-dire : 1 eV = 1,60210−19 J Remarque : L’énergie correspondant à 1 uma (1,660  10−27 kg) est E = mc2, sa valeur est donc : 1 eV E = 1,660 × 10−27 kg × (2,997925 × 108 m. s −1 )2 × ≈ 931 MeV 1,602 × 10−19 J La stabilité du noyau est caractérisée par l’énergie de liaison par nucléon : Eliaison totale du noyau ΔE El (par nucléon) = = (J/nucléon) nombre de nucléons A El (par nucléon) ↑ ⇒ la stabilité du noyau ↑ Chapitre II : Principaux constituants de la matière Prof. Mimoune 20