Licence Sciences et ApplicationsL1S1

Chimie, de l’atome à la macromolécule

Patrice Coll , ProfesseurLaboratoire Interuniversitaire des Systèmes AtmosphériquesUnité mixte de recherche CNRS / Univ. P 7 / Univ. P 12http://www.lisa.univ-paris12.fr

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LISABâtiment Lamarck

7ème étage, bureau 705

Coordinateur pédagogique

Alain SnobbertUFR de chimie, Bâtiment Lavoisier

2ème étage, bureau 250

Pour me contacter…

Plan du cours

1) De la structure de la matière à la chimie nucléaire

2) Des éléments chimiques à la réaction chimique

3) Introduction à la mécanique quantique

4) Structure électronique des atomes

5) Molécules et liaisons intermoléculaires

Survol du cours n°1

De la structure de la matière à la chimie nucléaire…

Les constituants élémentairesde l’atome

La matière est de nature discontinue

Nuage électronique 100 pm = 10-10 m

Masse: NOYAU (10-3 pm ou 10-15 m)

Les constituants élémentairesde l’atome

Le NOYAU renferme 2 types de particules massive (baryons)

Le PROTON : charge + 1.60·10-19 C masse : 1.673·10-27 kg

Le NEUTRON : charge nulle masse : 1.675·10-27 kg

Le noyau a une charge POSITIVE

Les NEUTRONs et les PROTONs constituent les NUCLÉONS qui sont maintenus ensemble par l’interaction forte.

Le noyau

approximation : 1 uma ~ masse du proton ~ masse du neutron

ELECTRON : charge – 1.60·10-19 C masse : 0.911·10-30 kg

Il est 1800 fois moins lourd que le proton

Sa charge est NEGATIVE juste opposée à celle du protonUn atome comporte autant d’électrons que de protons

Les électrons occupent tout l’espace de la matière

L’UNIVERS renferme exactement le même nombre de protons que d’électrons

Le nuage électronique

L’atome

approximation : 1 uma ~ masse du proton ~ masse du neutron

1 ATOME : Fe56

2655.934942 <~ 56 uma

1 MOLE : Fe56

2655.934942 <~ 56 g.mol-1

LES MASSES S’EXPRIMENT PAR LE MÊME NOMBRE• en uma pour les particules• en gramme pour les moles• On note pour le fer un masse plus petite que le nombre de

masse, alors qu'elle est plus grande pour U et H.

Pour 1H: 1.007825032 uma (>~1), pour 238U 238.050783 (>~238)

Masse atomique

Atomes, Ions…: Elements !

Exemples : C (Z = 6) 12C 13C 14C*

O (Z = 8) 16O 17O 18O

Définition: 1 uma = m12C /12

1 mole d’atomes de l’isotope 12C = 12.00000…. g

Masse d’un atome de C : mC = 12N

g

1 uma = 1/N g ou 1.66·10-24 g

PROTON : 1,0073 uma NEUTRON : 1,0087 uma

ELECTRON : 0,548·10-3 uma

N = 6.025 ·1023 mol-1

Masse atomique : isotopes

Nombre de masse:

Représentation symbolique d’un Atome : XA

Z

Si28

14Exemple : le Silicium :

Nombre de masse A = 28Numéro atomique Z = 14

N = 14

Le noyau contient 14 protons + 14 neutronsLe nuage électronique contient 14 électrons

A = Z + N

ISOTOPES : même valeur de Z (même nombre de protons)nombre de masse différent

Deux isotopes ne diffèrent que par le nombre de neutrons

Terrain de jeu des chimistes

EN CHIMIE, LE NOYAU DES ATOMES N’EST JAMAIS MODIFIE,

MAIS SEULEMENT LES COUCHES EXTERNES DES ATOMES.

=> Le noyau des atomes n’est JAMAIS modifié.

En PHYSIQUE NUCLEAIRE, les réactions étudiées sont les réactions entre les noyaux des atomes (on ne se soucie pas du cortège électronique) ou entre des particules du noyau, et mettent en jeu des énergies un million (106) de fois plus élevée !!!!!!!!!!!!(c’est pourquoi les réactions chimiques ne peuvent modifier les noyaux).

Radioactivité naturelle

Ce sont des particules très lourdes facilement arrêtées : une feuille de papier suffit.

ATTENTION : en aucun cas cet électron ne vient du cortège électronique

C’est le rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement même nature que la lumière, les ondes radio, les rayons X, …

Radioactivité naturelleRadioactivité naturelle

Radioactivité artificielle

Application de la radioactivité

1) INDUSTRIE

La gammagraphie ne diffère en rien, dans son principe, de la radiographie par rayon X : l’image (recueillie sur une plaque photographique) d’une pièce métallique soumise à un rayonnement γ révèle et décèle les défauts d’un organe. Toutes les soudures des cuves des réacteurs nucléaires sont contrôlées à l’aide de ce procédé. Ses avantages principaux sont la faillibilité et l’autonomie de la source (60Co, 192Ir), de dimensions réduites.

La bêtagraphie (utilisation du rayonnement β) permet l’examen d’objets minces, le contrôle d’épaisseurs, etc.

Application de la radioactivité2) MEDECINE ET BIOLOGIE

Traitement des tumeurs par irradiation :Le rayonnement γémis par un corps (le cobalt 60, par exemple) permet de détruire les cellules localisées dans la tumeur cancéreuse.

Scintigraphie. Les radionucléides sont utilisés comme traceurs. Ils participent au métabolisme de la même façon que les éléments naturels auxquels ils sont mélangés. Par exemple, l’iode 131 va être absorbé au même titre que l’iode naturel. On pourra donc suivre le cheminement de l’iode au cours de son assimilation et contrôler le fonctionnement de la glande thyroïde qui synthétise et sécrète les hormones iodées responsable de nombreuses actions au niveau des cellules. On peut également étudier la morphologie d’un organe rendu radioactif par fixation d’un radioélément émetteur γ ou β.

Application de la radioactivité

2) MEDECINE ET BIOLOGIE (suite)

L’analyse chimique utilise couramment les radioéléments. Le dosage fondé sur la radioactivité est sensible, simple et rapide. On peut ainsi doser des éléments à l’état de traces(10-10 mol-1), non dosables chimiquement : hormones de croissance, insuline dans le sang, etc.

Radiostérilisation. Des milliers d’articles (seringues, pansements, draps, prothèses, …) sont stérilisés à l’aide de rayon γ , qui tuent les microorganismes.

Application de la radioactivité

3) AGRONOMIE ET AGROALIMENTAIRE

Modification génétique. Une irradiation de végétaux peut provoquer des changements génétiques importants. On a ainsi obtenu des pailles de blé, d’orge et de riz mieux adaptées à la moisson mécanique et plus résistantes à la verse.

Conservation des denrées. Une irradiation γ permet de détruire les insectes dans les denrées stockées et les microorganismes dans les oeufs, la viande, etc. c’est aussi un traitement antigerminatif puissant ( pommes de terre).

Fission nucléaire

Fusion nucléaire

La fusion nucléaire :une découverte récente des scientifiques ?

Un exemple de fusion nucléaireLa combustion des étoiles constitue l’un des exemples des plus représentatifs des réactions de fusion. Pour qu’une étoile entre en combustion, il faut que la matière en son cœur atteigne des températures et des densités très élevées ; cela se produit grâce aux forces de gravitation qui s’exercent sur elle.

Ainsi ces conditions permettent laréaction thermonucléaire de fusion des atomes qui libèrent alors de l’énergie sous forme de rayonnement ;

ce qui explique que les étoiles « brillent »H → He

Datation au 14CD'OU VIENT LE CARBONE 14 ?

Une partie des neutrons créés dans l'atmosphère par les rayons cosmiques interagissent avec l'azote pour former un isotope radioactif du carbone (Réaction mise en évidence par W.F. LIBBY en 1946).

Plus précisément, les protons cosmiques d'origine galactique sont plus ou moins déviés par le champ magnétique terrestre. Ceux qui pénètrent dans l'atmosphère donnent naissance à des neutrons sur les molécules d'oxygène et d'azote de l'air. Après leur production, ces neutrons entrent en collision avec les molécules de l'air; à la suite de nombreux chocs, ils sont ralentis et atteignent peu à peu l'énergie thermique des gaz. Ils donnent alors, avec une probabilité quasi-totale, du carbone 14 sur l'azote de l'air

Le carbone 14 ainsi formé s'oxyde rapidement, donne une molécule de 14CO2 qui se disperse et marque de façon uniforme par sa radioactivité le gaz carbonique atmosphérique.

Datation au 14C

Datation au 14C

Les divers échanges (respiration, photosynthèse, alimentation) qui se produisent entre l'atmosphère et le monde "vivant" ont pour effet d'équilibrer le rapport entre la quantité de carbone 14 et celle de carbone 12. Mais, dès qu'un organisme meurt, le carbone 14 qu'il contient n'est plus renouvelé puisque les échanges avec le monde extérieur cessent. Sa proportion se met alors peu à peu à diminuer.

La période est de 5730 ans, c’est-à-dire qu’au bout de cette période, il ne reste que la moitié des éléments de carbone 14 par rapport au nombre global au moment de la mort.

La mesure du rapport carbone 14 / carbone 12 permet donc de connaître la date de la mort d'un organisme bien après que celle-ci ait eu lieu. Moins il reste de carbone 14 dans un échantillon à dater, et plus sa mort est ancienne.

Datation au 14CLa loi de probabilité du nombre de noyaux qui sedésintègrent entre les instants 0 et t, t fixé est uneloi binomiale B (n , p ) où n = N(0) et p = F(t) =1 –e- λt D’où la loi du nombre de noyaux non désintégrésà l’instant t est une loi binomiale de paramètresN(0) et e- λt . L’espérance de cette loi donne le nombre denoyaux non encore désintégrés à l’instant t c’estdonc : N(t) = N(0) e- λt . N(t) = N(0) e- λt

N(t) 2 = N(0) e- λ (t+T) d’où 12 = e- λT donc en prenant

T = 5730 on a λ = ln 2T ≅ 1,21 10-4.

Datation au 14C

partie n°2

des éléments chimiquesà la réaction chimique…

Tableau périodique

Interaction entre les éléments

COMBINAISONS

Principes de conservation

CH2 O + O2 = CO2 + H2 O

CH2 O + O2 → CO2 + H2 O

Conservation des éléments, stœchiométrie…

Liaisons

Liaisons inter-moléculaires

Liaison covalente

Indispensable pour les TD… (mais pas suffisant)

Isotopes : C (Z = 6) 12C 13C 14C* Perte ou gain d’e- => IonsEN CHIMIE, LE NOYAU DES ATOMES N’EST JAMAIS MODIFIE,MAIS SEULEMENT LES COUCHES EXTERNES DES ATOMES.

la matière est essentiellement vide

CH3 OH + 2 O2 → CO2 + 2 H2 O

[Quantité de matière] = mol