Nutrition et Technologie agro-alimentaire

Département de nutrition et technologie agroalimentaire


    Structure atomique

    Partagez
    avatar
    Admin
    Admin

    Messages : 26
    Réputation : 0
    Date d'inscription : 07/07/2010

    Structure atomique

    Message par Admin le Mar 13 Juil - 20:19







    Noyaux et électrons


    [modifier] Orbitales électroniques


    Une orbitale électronique peut être définie comme une région de
    l'espace dans laquelle la probabilité de trouver un électron est
    grande. La forme et la taille des orbitales électroniques sont
    déterminées dans le cadre de la théorie quantique de l'atome.

    Si, dans une expérience mentale, on réalise une série de clichés
    photographiques d'un atome à des moments successifs, on observera les
    électrons à différents endroits autour du noyau. Plus la probabilité de
    trouver l'électron à un endroit est grande, plus le cliché montrera de
    photos de l'électron à cet endroit. Finalement, le cliché obtenu
    montrera des sortes de nuages autour du noyau. La densité d'un nuage à
    un endroit donné sera d'autant plus grande que la probabilité de
    trouver l'électron à cet endroit est grande.

    Chacune des orbitales décrites est caractérisée par un certain
    niveau d'énergie des électrons qu'elle contient. En première
    approximation, plus l'orbitale est grande -et donc, plus les électrons
    qu'elle contient sont éloignés du noyau, plus l'énergie potentielle des
    électrons contenus est grande, de la même manière qu´une pierre au
    sommet d´une colline a une énergie potentielle plus grande que celle
    qui se trouve au fond de la vallée.

    [modifier] La nature ondulatoire de l´électron


    Les électrons se comportent comme des particules mais aussi
    comme des ondes. (Les travaux d'Albert Einstein, entre autres,
    montrent, en effet, que la lumière et toute la matière se comportent
    ainsi.) Un des résultats de cette observation est que les électrons ne
    peuvent être sur une orbite de n´importe quelle énergie.
    Pensons à une onde stationnaire sur une corde de guitare. Il n´y a
    qu´un nombre entier de demi-longueurs d´onde qui peut former une onde
    stationnaire sur la corde.
    C´est la même chose pour une coque atomique. Comme l´énergie dépend de
    la longueur d´onde, l´énergie de l´électron dans un atome (un électron
    lié) est quantifiée. Cela signifie que l´énergie est limitée à
    certaines valeurs distinctes, une pour chaque coque avec aucune valeur
    intermédiaire. En plus de cela, il n´y a pas que l´énergie qui est
    quantifiée, d´autres propriétés de l´électron le sont aussi. Celles-ci
    sont aussi des valeurs distinctes sans valeur intermédiaires. Le moment
    angulaire est quantifié, le spin est quantifié, les composants du
    moment angulaire dans chaque direction sont aussi quantifiés.
    Il y a en fait une liste de règles pour déterminer quelles sont les valeurs que chacune de ces propriétés peut prendre.


    [modifier] Introduction à la théorie quantique


    L´idée fondamentale de la mécanique quantique, énoncée par Louis de
    Broglie, est que la matière est associée à une onde ou plutôt aux
    propriétés d´une onde. Mathématiquement, cette idée se traduit par la
    relation :


    où p est la quantité de mouvement p = mv et h est la constante de Planck qui vaut 6,626 10-34J.s .--
    Du binôme matière - onde, on a déduit le principe d´incertitude
    de Heisenberg qui dit qu´il est impossible de vérifier, avec précision,
    la position et la quantité de mouvement d´une particule en mouvement.


    On définit aussi la constante de Planck réduite ou constante de Dirac :

    Le principe d´incertitude n´a pas d´influence sur notre vie courante ; voyons un exemple :
    Une voiture de 500 kg se déplace à une vitesse de 80 km/h.
    Supposons que cette vitesse soit connue à 0,5 km/h près. Quelle est
    l´erreur minimum possible sur la détermination de la position du
    véhicule ?


    Ce qui est insignifiant.
    Pour un électron, c´est tout à fait différent.
    Un électron de 9,1 10-31 kg fait partie d´un atome d´hydrogène qui a un diamètre de 2 10-10 m. Sa position est donc connue à 10-10 m près. Quelle précision maximum puis-je obtenir sur la vitesse de cet électron ?

    On voit donc pourquoi nous ne parlons pas de la position de
    l´électron mais bien de sa probabilité de se trouver dans une position.


    Il est probablement difficile de comprendre ce début d´exposé sur
    la mécanique quantique. Beaucoup penseront que tout cela n´entre pas
    dans le bon sens. En fait, il ne s´agit pas de comprendre cette théorie
    mais bien de la connaître. Peu à peu, il a été établi que la mécanique
    quantique mène à des conséquences réelles, palpables et matérielles.



    Il n´y a pas plus de bon sens d´accepter les lois de Newton que
    tout le monde accepte mais qui ont dû aussi perturber les esprits à
    l´époque où elles ont été énoncées.






    [modifier] L´équation de Schrödinger


    Si l´on dit qu´à la matière est associée une onde, il doit y avoir
    une équation qui représente cette onde. Cette équation a été établie
    par Erwin Schrödinger.

    Dans une équation quelconque y = f(x), il peut arriver que certaines
    valeurs de x ne donnent pas de solution à l´équation. Par exemple, y =
    log(x) n´admet de solutions que pour les valeurs positives de x.

    De la même manière, l´équation de Schrödinger n´admet comme solution
    qu´un nombre limité de valeurs. On dit que ces solutions sont
    quantifées, plus précisement, et copions le Petit Robert :
    « Quantifié : Se dit d´une grandeur physique qui ne peut prendre que
    certaines valeurs caractérisées par des nombres entiers multiples d´une
    valeur discréte, le quanta. » Ce qui est quantifié, c´est l´énergie, la
    position, les moments angulaire et magnétique...

    Mais quelle est cette fameuse équation de Schrödinger ?
    Regardez-la et oubliez-la immédiatement :

    [modifier] Les Nombres Quantiques


    NombreSymboleValeurs possiblesSignification
    Nombre quantique principaln1, 2, 3, 4, 5 ...Indique la coque où se trouve l´électron. C´est le facteur
    principal pour déterminer l´énergie de l´électron (plus grand est n,
    plus grande est l´énergie) et aussi pour indiquer la distance de
    l´électron au noyau (plus grand est n, plus l´électron est éloigné du
    noyau).
    Nombre quantique angulairel0, 1, 2, 3, ..., (n - 1)Indique la sous-coque qui contient l´électron. Il correspond aux
    sous-coques s, p, d, f (0 correspond à s, 1 à p, etc. Il peut prendre
    les valeurs 0 à n-1).
    Nombre quantique magnétiqueml-l ... -2, -1, 0, +1, +2 ... +lIndique dans quelle orbitale se trouve l´électron. Par exemple, il
    y a trois orbitales p, le nombre quantique magnétique indique dans
    laquelle des trois orbitales se trouve l´électron. Il peut prendre les
    valeurs de -l à +l.
    Nombre quantique de spinms+½, -½Indique le spin de l´électron. Il ne peut prendre qu´une des deux valeurs et ne dépend pas des autres nombres quantiques.

    [modifier] Couches électroniques et orbitales


    Quand un atome ou un ion reçoit des électrons dans ses
    orbitales, les nuages et les orbitales se remplissent d´une manière
    définie.

    Il y a trois principes qui gouvernent ce processus 1) Le
    principe de remplissage 2) Le principe d´exclusion de Pauli 3) Un
    troisième

    [modifier] Principe de remplissage


    Les électrons ont tendance à remplir les couches électroniques
    demandant le moins d'énergie en premier(ex : remplir la couche 4s avant
    la couche 3d)

    Voici l'ordre de remplissage : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s 4f 5d 6p 5f 6d 6f
    Les orbitales s peuvent contenir 2 électrons maximum. Les orbitales
    p peuvent contenir 6 électrons maximum. Les orbitales d peuvent
    contenir 10 électrons maximum, et finalement les orbitales f peuvent
    contenir 14 électrons maximum

    Exemple de remplissage : N (7)= 1s² 2s² 2p³

    Anomalie : Un atome cherche toujours à être stable (avoir sa dernière
    couche électronique pleine). Parfois, il transfère un électron à une
    couche plus haute pour acquérir une certaine stabilité.

    Exemple : Cr(24) = {Ar}4s1 3d5
    [modifier] Principe d´exclusion


    [modifier] Orbitales atomiques


    Les électrons circulent sur des orbites atomiques dans des
    nuages de forme et grandeurs variées. Les nuages d´électrons sont sous
    forme de coques imbriquées les unes dans les autres où les électrons
    occupant les coques les plus petites et les plus internes possèdent le
    plus bas état énergétique et ceux occupant les coques les plus grandes
    et les plus externes, le plus haut état d´énergie. Plus l'orbite
    électronique est éloignée du noyau, plus l´électron possède une énergie
    potentielle élevée. Tout comme une pierre qui se trouve au sommet de la
    colline posséde une énergie potentielle plus grande que celle qui se
    trouve au fond de la vallée.

    [modifier] La nature ondulatoire de l´électron


    Les électrons se comportent en particules mais aussi en ondes.
    (Les travaux de Einstein et autres montrent que la lumière et la
    matière se comportent avec cette double nature qui est observée plus
    clairement pour les particules très petites). Un des résultats de cette
    observation est que les électrons ne peuvent se déplacer sur une orbite
    de n´importe quelle énergie. Pensez à une onde stationnaire sur une
    corde de guitare. Il n´y a qu´un nombre entier de demi-ondes qui
    peuvent créer une onde stationnaire sur la corde. C´est la même chose
    pour les coques électroniques. Comme l´énergie dépend de la longueur
    d´onde, l´énergie d´un électron dans un atome (électron lié) est quantifiée.
    Cela signifie que l´énergie est limitée à des valeurs distinctes, une
    pour chaque coque sans valeurs "entre deux". De plus, il n´y a pas que
    l´énergie qui est quantifiée, d´autres propriétés de l'électron sont
    aussi attribuées par valeurs discrètes. Le moment angulaire est
    quantifié, le "spin" est quantifié, les composants du moment angulaire
    sont aussi quantifiées. Il y a en fait une série de règles qui
    s´appliquent aux valeurs que peuvent prendre ces propriétés.

    [modifier] Coques électroniques


    Chaque coque est divisée en une ou plusieurs orbitales, chacune
    d´elles ayant un moment angulaire différent. Chaque orbitale a une
    forme différente et est nommée par une lettre. Ce sont: s, p, d, and f. (qui signifient Sharp-étroite-, principle- principale-, diffuse-difuse-, et fundamental-fondamentale-
    ce qui fait référence au raies vues au spectroscope) . Dans un atome
    avec un électron, l´énergie de toutes les orbitales dans une coque
    particulière est identique. Cependant lorsqu´il y a plus d´un électron
    , ils interagissent entre eux et séparent les orbitales entre des
    énergies légèrement différentes. Dans chaque coque, l´énergie des
    orbitales dépend du moment angulaire, l´orbitale s ayant la plus petite énergie, puis la p et ainsi de suite.

    [modifier] L´orbitale s



    Image stylisée
    des orbitales s






    L´orbitale la plus simple dans un atome est l´orbitale 1s. Elle
    n´a pas de noeuds radiaux ou angulaires : l´orbitale 1s est simplement
    une sphère de densité d´électron. Comme pour toutes les orbitales, le
    nombre de noeuds radiaux augmente avec le nombre quantique principal
    (c´est-à-dire l´orbitale 2s a un noeud radial, la 3s deux noeuds etc). Comme le nombre quantique de moment angulaire est zéro, il n´y a qu´une orbitale s par coque. L´orbitale s peut contenir deux électrons qui devront avoir des spins différents.





    [modifier] Les orbitales p



    Image stylisée des orbitales p





    A partir de la 2iemecouche, il y a plusieurs orbitales p. Il n´y a qu´un nombre quantique de moment angulaire dans une orbitale p ainsi l´orbitale p
    n´a qu´un noeud angulaire. Il y a trois possibilités de nombre
    magnétique quantique qui indiquent trois possibilités d´orientations
    des orbitales p. Finalement, chaque orbitale peut recevoir deux
    électrons (de spins opposés) donnant une capacité totale de 6 électrons.

    (
    Les orbitales p ont deux lobes de densité d´électron situés sur chacun des axes. Chacune est symétrique sur son axe. La notation des orbitales p indique sur quel axe se trouve l´orbitale c´est-à-dire que px pointe le long de l´axe des x, py le long de l´ axe des y et pz le long de l´axe des z . Les orbitales p sont "dégénérées" parce qu´elles ont la même énergie.


    2px2py2pz



    [modifier] Les Orbitales d



    Image stylisée des toutes les orbitales atomiques d





    Le premier ensemble d´orbitales d est le groupe 3d. Le
    nombre quantique angulaire est 2, ainsi chaque orbitale a deux noeuds
    angulaires. Il y a cinq possibilités pour le nombre quantique
    magnétique, ce qui donne cinq orbitales diférentes. Chaque orbitale
    peut contenir deux électrons (de spins opposés) donnant une capacité de
    10 électrons.


    Notons que toutes les orbitales d ont quatre lobes de densité d´électrons sauf dz2, qui a deux lobes opposés. Les orbitales d peuvent être subdivisées en deux petit groupes.Les orbitales dx2-y2 et dz2eg . D´un autre coté, les lobes des orbitales dxy, dxz et dyz n´ont pas de densité électronique sur les axes. Ces trois orbitales forment le groupe t2g . Dans beaucoup de cas, les orbitales d sont dégénérées mais parfois, elles peuvent se diviser avec les sous-groupes eg et t2g ayant une énergie différente eg et t2g pointent tous dans la direction des axes des x, y et x et forment un groupe


    3dxy3dxz3dyz3dx2-y23dz2


    [modifier] Orbitales f et supérieurs


    f a un moment angulaire 3, cela donne 7 valeurs dans la direction de z . Une orbitale f peut donc contenir 14 électrons.

    Liaison Delta


    Liaison Pi



      La date/heure actuelle est Mar 21 Nov - 15:03