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2.1 : Structure atomique - Biologie


2.1 : Structure atomique

Thème 2 - Structure atomique

Ce sujet traite des débuts de la théorie quantique et des fondements de la compréhension de l'atome. Les parties de l'atome, les ions, les isotopes et les propriétés des électrons sont tous couverts dans ce sujet.

  • Tutoriels YouTube
    • Structure basique
    • Le noyau d'un atome
    • Le développement de la théorie atomique

    2.2 Configuration électronique

    • Tutoriels YouTube
      • Orbitales
      • Configuration électronique
      • Règles orbitales et comment les remplir sur des diagrammes.

      Résumé

      Les ferrites spinelles sont une classe importante de matériaux, dont les propriétés magnétiques sont intéressantes pour les applications industrielles. Les limites d'antiphase (APB) qui sont couramment observées dans les films de ferrite spinelle peuvent entraver leurs applications dans les dispositifs et capteurs spintroniques, en raison de leur influence sur la dégradation magnétique et la magnétorésistance des matériaux. Cependant, il est difficile de corréler les propriétés magnétiques avec la structure atomique dans les APB individuels en raison de la résolution spatiale limitée de la plupart des techniques d'imagerie magnétique. Ici, la microscopie électronique à transmission à balayage à correction d'aberration et le dichroïsme chiral magnétique à perte d'énergie électronique sont utilisés pour mesurer la structure atomique et le dichroïsme circulaire magnétique électronique (EMCD) d'un seul APB dans NiFe2O4 qui prend la forme d'un intercalaire à structure de sel gemme et est associé à une translation cristalline de (1/4)une[011]. Les premiers calculs de la théorie fonctionnelle de la densité sont utilisés pour confirmer que cet APB spécifique introduit un couplage antiferromagnétique et une diminution significative de l'amplitude des moments magnétiques, ce qui est cohérent avec une diminution observée du signal EMCD à l'APB. Les résultats fournissent un nouvel aperçu des origines physiques du couplage magnétique à un défaut individuel à l'échelle atomique.


      2.1 : Structure atomique - Biologie

      Pour une aide en ligne sur ce sujet, voir le module chimique "Structure atomique et nucléaire" qui traite des sujets suivants : Concepts fondamentaux équations nucléaires rayonnement électromagnétique dualité onde-particule modèle de Bohr.

      Des sujets plus avancés seront trouvés dans le module chimique "Atoms, Electrons and Orbitals" qui traite les sujets suivants : Orbitales atomiques - formes, nombres quantiques, structures de sous-couches d'atomes et d'ions.

      Structure atomique (questions générales)

      Raccourci vers les questions

      Donner les symboles et la configuration orbitale électronique de l'état fondamental des atomes ayant les nombres d'électrons suivants :

      Un atome d'un élément a deux électrons dans le m=1 coquille, huit électrons dans le m=2 coquille, et cinq électrons dans le m=3 coquille. A partir de ces informations, donner pour l'élément

      (2) son poids atomique approximatif

      (3) le nombre total de s électrons dans son atome

      (4) le nombre total de électrons dans son atome

      (5) le nom de l'élément

      (6) deux états d'oxydation courants de l'élément dans ses composés

      Lister les numéros atomiques des éléments suivants :

      Pour un atome de l'isotope 19 E (numéro atomique 9) donner

      (2) le nombre d'électrons

      (3) la configuration électronique de l'atome dans l'état fondamental

      (4) une équation pour une réaction typique de l'élément

      Donnez les noms et les symboles (y compris les nombres de masse) des isotopes de l'hydrogène.

      Une énergie de 419 kJ mol -1 est nécessaire pour convertir (en phase gazeuse) les atomes de potassium en ions potassium et en électrons. Étant donné que 1 kJ mol -1 équivaut à 1,67 x 10 -21 joule par atome, calculez la longueur d'onde de lumière la plus longue possible qui est capable d'ioniser les atomes de potassium.

      Calculez (1) la fréquence et (2) l'énergie par quantum pour un rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde de 580 nm.

      (1) Calculer la longueur d'onde d'un photon qui a une fréquence de 1,20 x 10 15 Hz

      (2) Quelle est l'énergie du photon en joules par photon ?

      (3) Quelle est l'énergie en kJ mol -1 des photons ?

      (4) Quel est le nom généralement donné à un tel rayonnement ? (c'est-à-dire à quelle région du spectre électromagnétique appartient-il ?)

      Calculer pour les ondes radio de la bande de diffusion de 1,00 MHz :

      (1) L'énergie des photons en joules par photon et (2) en kJ mol -1 .

      (3) Quelle est la longueur d'onde de tels photons ?

      (4) Comment l'énergie se compare-t-elle à celle d'une simple liaison C-C ? Vous attendriez-vous à ce que les ondes radio soient capables de produire des réactions chimiques ?

      (Question avancée) Trouvez la différence d'énergie (en kJ mol -1 ) entre l'état fondamental et le premier état excité de l'atome d'hydrogène.

      Structure atomique (Réponses générales)

      Le nombre d'électrons dans un atome neutre est égal au nombre de protons, donc le nombre d'électrons sera égal au numéro atomique.

      (1) Numéro atomique 7, azote (N) :

      (2) Numéro atomique 11, sodium (Na)

      (3) Numéro atomique 16, soufre (S) :

      (4) Numéro atomique 25, manganèse (Mn) :

      1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2

      (1) En comptant le nombre total d'électrons sur toutes les couches, nous obtenons 15. Cela doit être égal au nombre de protons dans l'atome neutre, donc le numéro atomique est 15.

      (2) La masse atomique d'un élément est déterminée par le nombre de protons et de neutrons, car ils contribuent pratiquement à toute la masse de l'atome. Il y a approximativement le même nombre de protons et de neutrons présents dans les atomes, de sorte que le approximatif la masse sera de 2 x 15 = 30.

      (3) (4) À partir des informations fournies, nous pouvons déterminer la configuration atomique de l'élément :

      Deux premiers électrons de la couche : 1s 2

      Électrons de la couche de huit secondes : 2s 2 2p 6

      Cinq électrons de troisième couche : 3s 2 3p 3

      Il y a donc au total six s électrons, et non électrons.

      (5) À partir du numéro atomique 15, l'élément est identifié comme étant le phosphore.

      (6) Le phosphore est un non-métal et formera donc des anions dans les liaisons ioniques avec les métaux et les liaisons covalentes avec les non-métaux. Gagner 3 électrons (ou une part de 3 électrons) remplit l'orbitale 3p la rendant isoélectronique avec Ar. Ainsi, l'état -III est commun, et montré dans l'ion P 3- et dans les molécules covalentes telles que PH3. Le phosphore peut également avoir plus de 8 électrons dans son niveau externe en incorporant les orbitales 3d vides adjacentes dans le niveau de valence pour former 5 liaisons covalentes, comme dans PF5 et PCl5 où l'état d'oxydation de P est +V.

      Le numéro atomique d'un élément est égal au nombre de protons dans le noyau. Dans un atome neutre, les protons (+1 charge) et les électrons (-1 charge) sont présents en nombre égal, donc leurs charges s'équilibrent. Le numéro atomique d'un élément est facilement déterminé en consultant un tableau périodique.

      (1) Li a un numéro atomique de 3

      (2) O a un numéro atomique de 8

      (3) N a un numéro atomique de 7

      (4) Mg a un numéro atomique de 12

      (5) Ne a un numéro atomique de 10

      (6) Br a un numéro atomique de 35

      (1) Le nombre de protons est égal au numéro atomique, qui est 9.

      (2) On suppose ici que l'atome en question est neutre, puisqu'aucune charge n'a été explicitement mentionnée. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, qui est de 9.

      (3) La configuration électronique est trouvée en attribuant tous les électrons disponibles aux orbitales, en commençant par 1s.

      La configuration pour 9 électrons sera 1s 2 2s 2 2p 5 .

      (4) En notant que l'orbitale la plus externe (l'orbitale 2p) est à 1 électron de moins d'être remplie, l'élément prendra l'état d'oxydation -I (c'est-à-dire acceptera très facilement 1 électron) pour former des composés stables. En effet, nous pouvons maintenant identifier "E" comme fluorine, qui se produit comme le F2 molécule. Une réaction typique serait la réaction du fluor avec un métal du groupe 1 tel que le lithium :

      hydrogène : 1 H (cet isotope est aussi appelé protium)

      L'énergie nécessaire pour ioniser un atome de potassium = 419 x 1,67 x 10 -21 joule par atome = 7,00 x 10 -19 joule par atome. Il s'agit de la quantité minimale d'énergie requise à partir d'un seul photon de rayonnement électromagnétique. Conversion de cette énergie en une longueur d'onde :

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (7,00 x 10 -19 J)

      Dans l'équation ci-dessus &lambda (lambda) est la longueur d'onde (en mètres), h est la constante de Planck (6,626 x 10 -34 joules secondes), c est la vitesse de la lumière dans le vide (3,00 x 10 8 m s -1 ), et E est l'énergie (en Joules).

      La longueur d'onde minimale du rayonnement électromagnétique nécessaire pour ioniser le potassium est donc de 284 nm.

      (1) n = c / &lambda = (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (580 x 10 -9 m)

      Notez que la fréquence est indiquée par le symbole n ("" nu "), et les unités sont des Hertz qui sont équivalentes à s -1 . Notez également les unités utilisées pour la longueur qui doivent être en mètres pour être cohérentes avec l'énergie en Joules.

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (580 x 10 -9 m)

      (1) &lambda = c / n = (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (1,20 x 10 15 s -1 ) = 2,50 x 10 7 m

      (2) E = h n = (6,626 x 10 -34 J s) x (1,20 x 10 15 s -1 ) = 7,95 x 10 -19 J

      (3) Il y a NUNE photons dans 1 mole = 6,022 x 10 23 . Donc l'énergie de 1 mole de photons = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (7,95 x 10 -19 J)

      (4) Une longueur d'onde de 250 nm correspond à la lumière dans la région ultraviolette.

      (1) E = h n = (6,626 x 10 -34 J s) x (1,00 x 10 6 s -1 )

      = 6,626 x 10 -28 J par photon.

      (2) Énergie par mole de photons = énergie par photon x NUNE

      = (6,626 x 10 -28 J s) x (6,022 x 10 23 mol -1 )

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (6,626 x 10 -28 J)

      (4) L'énergie des ondes radio (3,99 x 10 -7 kJ mol -1 ) est beaucoup inférieure à celle d'une liaison C-C (3,48 x 10 2 kJ mol -1 ), les ondes ne devraient donc pas produire de réaction chimique.

      Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène peut être utilisé pour prédire l'énergie de diverses transitions électroniques au sein de l'atome d'hydrogène. Dans ce modèle, les électrons sont supposés exister à l'intérieur de certaines "orbites" (désignées par le symbole m) dont chacun a une énergie discrète associée.

      L'énergie d'un électron dans une orbite particulière m = E(m)

      = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / m 2 ), pour l'atome d'hydrogène uniquement.

      Pour le m = 2 &rarr 1 transition, mfinal = 1, et minitiale = 2,

      donc E(m = 2 &rarr 1) = (-2,18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 2 2 ))

      C'est la différence d'énergie par atome, en trouvant l'énergie en kJ mol -1 :


      Glossaire

      Solutions

      Réponses aux exercices de fin de chapitre de chimie
      1. Les matériaux de départ se composent d'une sphère verte et de deux sphères violettes. Les produits se composent de deux sphères vertes et de deux sphères violettes. Cela viole le postulat de Dalton selon lequel les atomes ne sont pas créés lors d'un changement chimique, mais sont simplement redistribués.

      3. Cette déclaration viole le quatrième postulat de Dalton : dans un composé donné, le nombre d'atomes de chaque type (et donc aussi le pourcentage) a toujours le même rapport.


      Présentation de l'atome

      La chimie est l'étude de la matière et des interactions entre différents types de matière et d'énergie. La brique fondamentale de la matière est l'atome. Un atome se compose de trois parties principales : les protons, les neutrons et les électrons. Les protons ont une charge électrique positive. Les neutrons n'ont pas de charge électrique. Les électrons ont une charge électrique négative. Les protons et les neutrons se trouvent ensemble dans ce qu'on appelle le noyau de l'atome. Les électrons tournent autour du noyau.

      Les réactions chimiques impliquent des interactions entre les électrons d'un atome et les électrons d'un autre atome. Les atomes qui ont différentes quantités d'électrons et de protons ont une charge électrique positive ou négative et sont appelés ions. Lorsque les atomes se lient les uns aux autres, ils peuvent former de plus gros blocs de matière appelés molécules.

      Le mot "atome" a été inventé par les premiers Grecs Démocrite et Leucippe, mais la nature de l'atome n'a été comprise que plus tard. Dans les années 1800, John Dalton a démontré que les atomes réagissent les uns avec les autres dans des proportions entières pour former des composés. La découverte de l'électron a valu à J.J. Thomson le prix Nobel de physique 1906. Le noyau atomique a été découvert dans l'expérience sur la feuille d'or menée par Geiger et Marsden sous la supervision d'Ernest Rutherford en 1909.


      2.1 La théorie atomique

      Au Ve siècle avant JC., le philosophe grec Démocrite a proposé que toute matière se compose de très petites particules indivisibles, qu'il a nommées atomes (c'est-à-dire indécoupable ou indivisible). Bien que l'idée de Démocrite n'ait pas été acceptée par nombre de ses contemporains (notamment Platon et Aristote), elle a duré d'une manière ou d'une autre. Les preuves expérimentales des premières recherches scientifiques ont soutenu la notion d'« atomisme » et ont progressivement donné naissance aux définitions modernes des éléments et des composés. En 1808, un scientifique et enseignant anglais, John Dalton 1 (figure 2.1), a formulé une définition précise des éléments constitutifs indivisibles de la matière que nous appelons atomes.

      (une) (b) (c)

      Les travaux de Dalton ont marqué le début de l'ère moderne de la chimie. Les hypothèses sur la nature de la matière sur lesquelles se fonde la théorie atomique de Dalton peuvent être résumées comme suit :

      Les éléments sont composés de particules extrêmement petites appelées atomes. Tous les atomes d'un élément donné sont identiques, ayant la même taille, la même masse et les mêmes propriétés chimiques. Les atomes d'un élément sont différents des atomes de tous les autres éléments.

      Les composés sont composés d'atomes de plus d'un élément. Dans un composé donné, les mêmes types d'atomes sont toujours présents dans les mêmes nombres relatifs.

      Une réaction chimique réorganise les atomes dans des composés chimiques qu'elle ne crée ni ne détruit.

      La figure 2.2 est une représentation schématique de ces hypothèses.

      Page 41 [D] Figure 2.2 Ceci représente une réaction chimique entre les éléments oxygène et carbone. (a) L'oxygène n'existe pas sous forme d'atomes isolés dans des conditions ordinaires, mais plutôt comme molécules, dont chacun se compose de deux atomes d'oxygène. Notez que les atomes d'oxygène (sphères rouges) semblent tous identiques les uns aux autres (hypothèse 1). (b) De même, les atomes de carbone (sphères noires) semblent tous identiques les uns aux autres. Le carbone existe aussi sous forme de molécules plus variées et complexes que celles de l'oxygène. Le carbone a été représenté sous forme d'atomes isolés pour simplifier la figure. (c) Le composé CO2 se forme lorsque chaque atome de carbone se combine avec deux atomes d'oxygène (hypothèse 2). Enfin, la réaction se traduit par le réarrangement des atomes, mais tous les atomes présents avant la réaction (à gauche de la flèche) sont également présents après la réaction (à droite de la flèche) (hypothèse 3).

      Le concept d'atome de Dalton était beaucoup plus détaillé et spécifique que celui de Démocrite. La première hypothèse stipule que les atomes d'un élément sont différents des atomes de tous les autres éléments. Dalton n'a fait aucune tentative pour décrire la structure ou la composition des atomes - il n'avait aucune idée de ce qu'était vraiment un atome. Il s'est cependant rendu compte que les différentes propriétés montrées par des éléments tels que l'hydrogène et l'oxygène pouvaient être expliquées en supposant que les atomes d'hydrogène n'étaient pas les mêmes que les atomes d'oxygène.

      La deuxième hypothèse suggère que, pour former un certain composé, nous n'avons pas seulement besoin d'atomes de la bonne sortes d'éléments, mais spécifique Nombres de ces atomes aussi. Cette idée est une extension d'une loi publiée en 1799 par Joseph Proust, un chimiste français. D'après Proust , différents échantillons d'un composé donné contiennent toujours les mêmes éléments dans la même masse rapport. Ainsi, si nous devions analyser des échantillons de dioxyde de carbone provenant de différentes sources, comme les gaz d'échappement d'une voiture à Mexico ou l'air au-dessus d'une forêt de pins dans le nord du Maine, chaque échantillon contiendrait le même rapport en masse d'oxygène à carbone. Considérez les résultats suivants de l'analyse de trois échantillons de dioxyde de carbone, chacun provenant d'une source différente :

      Échantillon Masse de O (g) Masse de C (g) Rapport (g O : g C)
      123 g de dioxyde de carbone 89.4 33.6 2.66:1
      50,5 g de dioxyde de carbone 36.7 13.8 2.66:1
      88,6 g de dioxyde de carbone 64.4 24.2 2.66:1

      Dans tout échantillon de dioxyde de carbone pur, il y a 2,66 g d'oxygène pour chaque gramme de carbone présent. Ce rapport de masse constant peut être expliqué en supposant que les éléments existent dans de minuscules particules de masse fixe (atomes) et que les composés sont formés par la combinaison de nombres fixes de chaque type de particule.

      La deuxième hypothèse de Dalton soutient également la . Selon cette loi, si deux éléments peuvent se combiner pour former plus d'un composé l'un avec l'autre, les masses d'un élément qui se combinent avec une masse fixe de l'autre élément sont dans des rapports de petits nombres entiers. C'est-à-dire que différents composés constitués des mêmes éléments diffèrent par le nombre d'atomes de chaque type qui se combinent. Par exemple, le carbone se combine avec l'oxygène pour former du dioxyde de carbone et du monoxyde de carbone. Dans tout échantillon de monoxyde de carbone pur, il y a 1,33 g d'oxygène pour chaque gramme de carbone.

      Échantillon Masse de O (g) Masse de C (g) Rapport (g O : g C)
      16,3 g de monoxyde de carbone 9.31 6.99 1.33:1
      25,9 g de monoxyde de carbone 14.8 11.1 1.33:1
      88,4 g de monoxyde de carbone 50.5 37.9 1.33:1

      Ainsi, le rapport de l'oxygène au carbone dans le carbone dil'oxyde est de 2,66 et le rapport de l'oxygène au carbone dans le carbone lunl'oxyde est de 1,33. Selon la loi des proportions multiples, le rapport de deux de ces rapports peut être exprimé sous forme de petits nombres entiers.

      Pour les échantillons contenant des masses égales de carbone, le rapport de l'oxygène dans le dioxyde de carbone à l'oxygène dans le monoxyde de carbone est de 2:1. Les techniques de mesure modernes indiquent qu'un atome de carbone se combine avec deux atomes d'oxygène dans le dioxyde de carbone et avec un atome d'oxygène dans le monoxyde de carbone. Ce résultat est cohérent avec la loi des proportions multiples (figure 2.3).

      [D] Figure 2.3 Une illustration de la loi des proportions multiples. Page 42

      Loi de conservation de masse.

      La troisième hypothèse de Dalton est une autre façon d'énoncer la , 2 c'est-à-dire que la matière ne peut être ni créée ni détruite. Étant donné que la matière est composée d'atomes inchangés lors d'une réaction chimique, il s'ensuit que la masse doit également être conservée. La brillante perspicacité de Dalton sur la nature de la matière a été le principal stimulus des progrès rapides de la chimie au cours du XIXe siècle.

      L'exemple de problème 2.1 montre comment certains composés courants obéissent à la loi des proportions multiples.

      Exemple de problème 2.1

      (a) L'eau (H2O) et le peroxyde d'hydrogène (H2O2) sont composés d'hydrogène et d'oxygène. Lorsque l'eau est décomposée en ses éléments constitutifs, elle produit 0,125 g d'hydrogène pour chaque gramme d'oxygène. Lorsque le peroxyde d'hydrogène est décomposé, il produit 0,063 g d'hydrogène pour chaque gramme d'oxygène. Déterminez le rapport des nombres entiers de g H : 1,00 g O dans l'eau à g H : 1,00 g O dans le peroxyde d'hydrogène pour montrer comment ces données illustrent la loi des proportions multiples. (b) Le soufre et l'oxygène peuvent se combiner pour former plusieurs composés dont le dioxyde de soufre (SO2) et le trioxyde de soufre (SO3) . Le dioxyde de soufre contient 0,9978 g d'oxygène pour chaque gramme de soufre. Le trioxyde de soufre contient 1,497 g d'oxygène pour chaque gramme de soufre. Déterminer le rapport des nombres entiers de g O : 1,00 g S dans le dioxyde de soufre à g O : 1,00 g S dans le trioxyde de soufre.

      Stratégie

      Pour deux composés, chacun constitué de seulement deux éléments différents, on nous donne le rapport massique d'un élément à l'autre. Dans chaque cas, pour montrer comment les informations fournies illustrent la loi des proportions multiples, nous divisons le rapport le plus grand par le rapport le plus petit.

      Installer

      (a) Le rapport massique de l'hydrogène à l'oxygène est plus élevé dans l'eau que dans le peroxyde d'hydrogène. Par conséquent, nous divisons le nombre de grammes d'hydrogène par gramme d'oxygène donné pour l'eau par celui donné pour peroxyde d'hydrogène. (b) Le rapport massique de l'oxygène au soufre est plus élevé dans le trioxyde de soufre que dans le dioxyde de soufre. Par conséquent, nous divisons le nombre de grammes d'oxygène par gramme de soufre donné pour trioxyde de soufre par celui donné pour le dioxyde de soufre.

      Solution

      Pensez-y

      Lorsque le résultat de tels calculs n'est pas un nombre entier, nous devons décider si le résultat est suffisamment proche pour tour à un nombre entier comme dans la partie (a), ou s'il faut multiplier pour obtenir des nombres entiers comme dans la partie (b). Seuls les nombres qui sont très près de l'ensemble peut être arrondi. Par exemple, les nombres se terminant par environ 0,25, 0,33 ou 0,5 doivent être multipliés par 4, 3 ou 2, respectivement, pour donner un nombre entier.

      Tentative de problème de pratique

      Dans chaque cas, calculez le rapport approprié pour montrer que l'information donnée est conforme à la loi des proportions multiples. (a) Les deux ammoniac (NH3) et l'hydrazine (N2H4) sont composés d'azote et d'hydrogène. L'ammoniac contient 0,2158 g d'hydrogène pour chaque gramme d'azote. L'hydrazine contient 0,1439 g d'hydrogène pour chaque gramme d'azote. (b) Deux des composés constitués d'azote et d'oxygène sont l'oxyde nitrique, également connu sous le nom de monoxyde d'azote (NO) et l'oxyde nitreux (N2O) , qui est également connu sous le nom de monoxyde de diazote. L'oxyde nitrique contient 1,142 g d'oxygène pour chaque gramme d'azote. Le protoxyde d'azote contient 0,571 g d'oxygène pour chaque gramme d'azote.  

      Entraînez-vous à construire des problèmes

      (a) Deux des composés les plus simples contenant uniquement du carbone et de l'hydrogène sont le méthane et l'éthane. Étant donné que le méthane contient 0,3357 g d'hydrogène pour 1,00 g de carbone et que le rapport entre g d'hydrogène/ 1,00 g de carbone dans le méthane et g d'hydrogène/ 1,00 g de carbone dans l'éthane est de 4:3, déterminez le nombre de grammes d'hydrogène par gramme de carbone dans l'éthane. (b) Le xénon (Xe) et le fluor (F) peuvent se combiner pour former plusieurs composés différents, dont le XeF2 , qui contient 0,2894 g de fluor pour chaque gramme de xénon. Utiliser la loi des proportions multiples pour déterminer m, qui représente le nombre d'atomes F dans un autre composé, XeFm , étant donné qu'il contient 0,8682 g de F pour chaque gramme de Xe.  

      Pratique Problème C onceptualiser

      Lequel des diagrammes suivants illustre la loi des proportions multiples ?

      (je) (ii) (iii) (iv)

      2.1 : Structure atomique - Biologie

      Pour une aide en ligne sur ce sujet, voir le module chimique "Structure atomique et nucléaire" qui traite des sujets suivants : Concepts fondamentaux équations nucléaires rayonnement électromagnétique dualité onde-particule modèle de Bohr.

      Des sujets plus avancés seront trouvés dans les modules chimiques suivants :

      "Atoms , Electrons and Orbitals" qui traite des sujets suivants : orbitales atomiques - formes, nombres quantiques structures de sous-couches d'atomes et d'ions.

      "Propriétés atomiques" qui traite des sujets : Le concept de charge de noyau et sa relation avec les propriétés atomiques fondamentales.

      "Structure électronique des atomes et des ions" qui traite des sujets : Tendances des propriétés atomiques par rapport au tableau périodique.

      "Quantum Numbers and Atomic Orbitals" qui est un module avancé sur les orbitales atomiques.

      Structure atomique (Questions avancées)

      Raccourci vers les questions

      Pour un atome de l'isotope 34 X (numéro atomique 16) donner

      (2) le nombre d'électrons

      (3) la configuration électronique de l'atome dans l'état fondamental

      (4) une équation pour une réaction typique de l'élément

      Deux isotopes du calcium (numéro atomique 20) sont 40 Ca et 44 Ca.

      Pour le 40 Ca et le 44 Ca 2+, fournissez les informations suivantes :

      (6) configuration orbitale électronique

      (1) Écrivez les configurations électroniques détaillées (en termes de sous-couches) pour les atomes des éléments suivants :

      (2) Compte tenu de ces configurations, tenir compte du fait que le manganèse a un plus grand nombre d'états d'oxydation que le zinc.

      (1) Calculer la longueur d'onde d'une balle (masse 7,0 g) se déplaçant à une vitesse de 1,1 x 10 3 m s -1 .

      (2) Quelle est la longueur d'onde d'un électron se déplaçant à la même vitesse ? Pourquoi le caractère ondulatoire de la matière est-il plus apparent avec l'électron qu'avec la balle ?

      Lorsqu'un photon frappe une surface métallique, une certaine énergie minimale est nécessaire pour éjecter un électron du métal. Cette énergie minimale, ou seuil, est connue sous le nom de travail d'extraction du métal. Toute énergie dans le photon d'origine au-dessus de ce minimum est traduite en énergie cinétique pour l'électron éjecté. La longueur d'onde seuil pour l'émission photoélectrique du lithium, au-dessus de laquelle aucun électron n'est émis, est de 520 nm. Calculer la vitesse des électrons émis à la suite de l'absorption de la lumière à 360 nm.

      Pour un rayonnement constitué de photons d'énergie 5,0 x 10 -16 J, trouvez :

      Le spectre de la vapeur de mercure montre une forte émission aux longueurs d'onde de 165 nm, 254 nm, 365 nm, 546 nm et 735 nm. Calculer l'énergie, en kJ mol -1 , associée à chacune de ces transitions, et indiquer dans quelle région du spectre électromagnétique se trouvent les raies.

      Le modèle de Bohr de l'atome d'hydrogène peut être utilisé pour prédire l'énergie de diverses transitions électroniques au sein de l'atome d'hydrogène. Dans ce modèle, les électrons sont supposés exister à l'intérieur de certaines "orbites" (désignées par le symbole m) dont chacun a une énergie discrète associée. L'énergie d'un électron dans une orbite particulière m = E(m)

      = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / m 2 ), pour l'atome d'hydrogène uniquement.

      (1.) Calculez le nombre d'onde (cm -1 ) et la longueur d'onde (nm) des trois premières raies de la série de Lyman du spectre atomique de l'hydrogène.

      (2.) Quelle est la longueur d'onde limite de la série ?

      (3.) Quelle est l'énergie de l'état final (m = 1) pour toutes les transitions de la série ?

      (4.) Quel est le potentiel d'ionisation de l'atome d'hydrogène, étant donné eV = h n , où e = charge électronique et V = potentiel en volts.

      Calculer la longueur d'onde de de Broglie (nm) de :

      (1) un électron se déplaçant à une vitesse de 1,2 x 10 9 cm s -1

      (2) une balle de golf de masse 170 g, se déplaçant à une vitesse de 3,58 x 10 3 cm s -1

      La lumière jaune intense d'un lampadaire au sodium provient d'un saut d'électrons du niveau 3p au niveau 3s.

      La longueur d'onde de la lumière est de 590 nm (5,9 x 10 -7 m). Quelle est l'énergie de cette transition en kJ mol -1 ?

      Structure atomique (Réponses avancées)

      (1) Le nombre de protons est égal au numéro atomique, qui est 16.

      (2) On suppose ici que l'atome en question est neutre, puisqu'aucune charge n'a été explicitement mentionnée. Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, qui est de 16.

      (3) La configuration électronique est trouvée en affectant tous les électrons disponibles aux orbitales, en commençant par 1s. La configuration pour 16 électrons sera 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4 .

      (4) En notant que l'orbitale la plus externe (l'orbitale 3p) est à deux électrons d'être pleine, nous nous attendrions à ce qu'un état d'oxydation typique de "X" soit -II. En utilisant des orbitales 3D, les états d'oxydation +IV et +VI sont également possibles. Nous pouvons identifier cela comme le soufre, qui subit une grande variété de réactions. Le soufre peut réagir avec les métaux pour produire l'ion S 2- (état d'oxydation -II), par exemple réaction avec le strontium :

      Le soufre peut également réagir avec des non-métaux pour produire des composés aux états d'oxydation +IV et +VI, par exemple en brûlant dans l'oxygène :

      (1) Le numéro atomique est unique pour chaque élément, et est le même pour tous les isotopes d'un élément puisqu'il ne dépend pas du nombre de neutrons présents. Par conséquent, le numéro atomique pour les deux isotopes est 20. Notez que le numéro atomique ne dépend que du nombre de protons présents, donc la charge sur l'ion 44 Ca 2+ (qui résulte de la perte de deux électrons) ne modifie pas cela.

      (2) Le nombre de masse est le nombre de (protons + neutrons) présents (c'est-à-dire la somme des principaux contributeurs de masse au sein de l'atome). Pour 40 Ca, c'est 40. Notez que la charge présente sur l'ion 44 Ca 2+ n'affecte pas la composition du noyau, et le nombre de masse est 44.

      (3) Le nombre d'électrons est égal au nombre de protons dans un atome neutre, donc le nombre d'électrons dans 40 Ca est 20. L'isotope 44 Ca 2+, portant une charge +2, manque 2 électrons, et ne contient donc que 18 électrons.

      (4) Le nombre de neutrons est obtenu à partir de la différence entre la masse atomique (nombre de protons + neutrons) et le numéro atomique (nombre de protons). Donc, pour 40 Ca, cela équivaut à 40 - 20 = 20 neutrons. Pour 44 Ca 2+, cela équivaut à 44 - 20 = 24. Cela montre que les isotopes proviennent de nombres différents de neutrons.

      (5) Ceci est égal au numéro atomique et vaut 20 pour les deux isotopes.

      (6) 40 Ca : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2

      44 Ca 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6

      Notez la perte des deux électrons externes dans l'ion Ca 2+.

      (1) (a) Mn : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 2

      (b) Zn : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2

      (2) Mn est un élément de transition avec une coque 3D incomplètement remplie. La coque 3D complètement remplie en zinc conduit à la stabilité et à l'élimination des électrons 4s avec seulement une énergie d'ionisation relativement faible pour former l'ion 2+ qui est le seul état d'oxydation courant du zinc (+II). L'orbitale 3d remplie ne peut pas participer à la liaison. Pour le manganèse, les sous-couches 3d et 4s sont disponibles pour une occupation par des électrons de liaison, de sorte qu'une large gamme d'états d'oxydation est observée.

      La longueur d'onde de de Broglie associée à la matière est trouvée à partir de &lambda = h / m v, où m est la masse (kg) et v est la vitesse (m s -1 ).

      (1) Pour la balle, m = 0,0070 kg et v = 1,1 x 10 3 m s -1 .

      En utilisant l'équation de longueur d'onde de Broglie,

      &lambda = (6,626 x 10 -34 J s) / (0,0070 kg) x (1,1 x 10 3 m s -1 ) = 8,6 x 10 -35 m

      (2) Pour l'électron, m = 9,11 x 10 -31 kg et v = 1,1 x 10 3 m s -1 .

      &lambda = (6,626 x 10 -34 J s) / (9,11 x 10 -31 kg) x (1,1 x 10 3 m s -1 )

      Le caractère ondulatoire de l'électron, qui est de l'ordre du nanomètre, est évident puisqu'il peut être facilement détecté par, par exemple, la diffraction à travers un réseau. En revanche, l'observation d'une longueur d'onde de l'ordre de 10 -35 m n'est pas faisable.

      La première étape consiste à calculer le travail d'extraction du métal à partir de la longueur d'onde seuil citée dans la question.

      E du photon 520 nm = hc / &lambda

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (520 x 10 -9 m)

      = 3,82 x 10 -19 J par photon. C'est le travail d'extraction du métal (l'énergie nécessaire juste pour ioniser un électron)

      E du photon 360 nm = hc / &lambda

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (360 x 10 -9 m)

      L'énergie cinétique de l'électron éjecté est égale à l'énergie du photon entrant à 360 nm moins la fonction de travail.

      &there4 L'énergie cinétique de l'électron éjecté

      = 5,52 x 10 -19 J - 3,82 x 10 -19 J

      Maintenant, l'énergie cinétique de l'électron sera égale à m v 2 (où m est la masse en kg, v est la vitesse en m s -1 ).

      En résolvant pour v nous avons v = (2E / m)

      = (2,00 x 1,70 x 10 -19 J / 9,11 x 10 -31 kg)

      = (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 m s -1 ) / (5,0 x 10 -16 J)

      (2) Le nombre d'onde est le nombre de longueurs d'onde dans 1 cm (ceci est évident à partir des unités cm -1 ). La longueur d'onde est de 4,0 x 10 -10 m, donc le nombre de longueurs d'onde dans 1 cm = (0,01 m) / (4,0 x 10 -10 m) = 2,5 x 10 7 cm -1 .

      = (5,0 x 10 -16 J) / (6,626 x 10 -34 J s) = 7,5 x 10 17 Hz.

      E par mol = NUNE hc / &lambda

      E par mol (165 nm) = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (165 x 10 -9 m)

      = 725 kJmol -1 . C'est dans la région ultraviolette.

      E par mol (254 nm) = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (254 x 10 -9 m)

      = 471 kJmol -1 . C'est dans la région ultraviolette.

      E par mol (365 nm) = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (365 x 10 -9 m)

      = 328 kJmol -1 . C'est juste dans la région ultraviolette.

      E par mol (546 nm) = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (546 x 10 -9 m)

      = 219 kJmol -1 . C'est dans la région visible (vert - jaune).

      E par mol (735 nm) = (6,022 x 10 23 mol -1 ) x (6,626 x 10 -34 J s) x (3,00 x 10 8 ms -1 ) / (735 x 10 -9 m)

      = 163 kJmol -1 . C'est dans la région visible (rouge).

      Le passage d'un électron d'une orbite supérieure à une orbite inférieure s'accompagne de l'émission d'un photon. Plus la différence d'énergie des orbites est grande, plus l'énergie du photon émis est élevée.

      Dans le modèle de Bohr de l'atome, les orbites sont désignées par le symbole m, où m = 1 est le plus proche du noyau, m = 2 la prochaine sortie, etc.

      (1) La série de Lyman est la série de transitions de toutes les orbites jusqu'à m = 1. Les trois premières lignes proviennent du m = 2, 3 et 4 à m = 1 transition.

      L'énergie d'une transition se trouve à partir de la différence d'énergie entre les deux orbites. L'énergie d'une orbite donnée m = E(m)

      = -me e 4 Z 2 / 2 (h/ 2 p ) 2 m 2 = (-2,18 x 10 -18 J) x (Z 2 / m 2 ),

      où Z = charge du noyau et m est le numéro de l'orbite.

      Pour l'atome d'hydrogène Z = 1, on a donc

      E(m) = (-2,18 x 10 -18 J) x (1 / m 2 ).

      Pour trouver la différence d'énergie entre deux orbites (qui sera égale à l'énergie du photon émis), &Delta E = Efinal -Einitiale

      = (-2.18 x 10 -18 J) x [(1 / mfinal 2 ) - (1 / minitiale 2 )].

      Once the energy is known, the wavelength and wavenumber can be calculated as usual.

      So, for the m = 2 &rarr 1 transition (which corresponds to the first line in the Lyman series), mfinal = 1, and minitiale = 2, so

      E(m = 2 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x [(1 / 1 2 ) - (1 / 2 2 )]

      = -1.64 x 10 -18 J. Note that the negative energy value comes from defining the energy of an electron to be zero when completely removed from the atom, so an electron in an orbit has a negative energy by this definition. However, in the context of subsequent calculations this energy value is often taken as positive to provide physically relevant results (this is obvious when looking at the units being calculated - for instance, a wavelength calculated using a negative energy value would have a negative length!)

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (1.64 x 10 -18 J) = 121 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 121 x 10 -9 m = 8.25 x 10 4 cm -1 .

      Pour le m = 3 &rarr 1 transition (which corresponds to the second line in the Lyman series), mfinal = 1, and minitiale = 3,

      so E(m = 3 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 3 2 )) = -1.94 x 10 -18 J.

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (1.94 x 10 -18 J) = 102 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 102 x 10 -9 m = 9.80 x 10 4 cm -1 .

      Pour le m = 4 &rarr 1 transition (which corresponds to the second line in the Lyman series), mfinal = 1, and minitiale = 4,

      so E(m = 4 &rarr 1) = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) - (1 / 4 2 )) = -2.04 x 10 -18 J.

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (2.04 x 10 -18 J) = 97.4 nm.

      wavenumber = 1 cm / &lambda = 0.01 m / 97.4 x 10 -9 m = 1.03 x 10 5 cm -1 .

      (2) The limiting wavelength will correspond to the maximum transition energy. This will be the transition from m = &infin &rarr 1, ie an electron which is completely removed from the nucleus falling into the m = 1 orbit. Looking at the equation for transition energy:

      &Delta E = Efinal - Einitiale = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / mfinal 2 ) - (1 / minitiale 2 ))

      In this limiting case where minitiale = &infin , the (1 / minitiale 2 ) term disappears and mfinal = 1, giving &Delta E = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / mfinal 2 )

      = (-2.18 x 10 -18 J) x ((1 / 1 2 ) = -2.18 x 10 -18 J.

      The limiting wavelength is then found using this energy value:

      = (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (2.18 x 10 -18 J) = 91.2 nm.

      (3) The energy of the m = 1 state is defined with respect to a completely removed electron, and will therefore correspond to the energy of the transition found in part (2.) , E = 2.18 x 10 -18 J.

      (4) The ionisation potential is the energy required to completely remove an electron from an orbit. In the case of a neutral hydrogen atom there is one electron in the m = 1 orbital. Removing this electron (m = 1 &rarr &infin ) is the exact reverse of the transition described in part (2.) , (m = &infin &rarr 1). As a result the energy will be the same (2.18 x 10 -18 J), except that ionisation involves photon absorption plutôt que emission. Ionisation potentials are often meausred in electron volts (eV) (1 eV = 1.6 x 10 -19 J). Therefore the ionisation potential in eV = (2.18 x 10 -18 J) / (1.6 x 10 -19 eV J -1 ) = 13.6 eV.

      The de Broglie wavelength is found from &lambda = h / m v, where m is mass (kg) and v is velocity (m s -1 )

      (1.) me = 9.11 x 10 -31 kg, v = 1.2 x 10 9 cm s -1 = 1.2 x 10 7 m s -1 .

      &lambda = h / m v = (6.626 x 10 -34 J s) / [(9.11 x 10 -31 kg) (1.2 x 10 7 m s -1 )]

      (2.) m = 0.170 kg, v = 3.58 x 10 3 cm s -1 = 3.58 x 10 1 m s -1 .

      &lambda = h / m v = (6.626 x 10 -34 J s) / [(0.170 kg) (3.58 x 10 1 m s -1 )]

      E per mol = NUNE h c / &lambda

      E per mol (590 nm) = (6.022 x 10 23 mol -1 ) x (6.626 x 10 -34 J s) x (3.00 x 10 8 ms -1 ) / (590 x 10 -9 m)


      (une) Explain the carbon- 12 standard.

      (b) Complete the table showing the relative charges of the particles.

      particle charge
      proton
      neutron
      electron

      (c) Deuterium, 2 H, is an isotope of hydrogen.

      (i) Define the term isotopes

      (ii) Draw a labelled diagram showing the constituent particles in a deuterium atom.

      (iii) Name the instrumental method used to determine accurate atomic masses.

      (iv) Use the values of the masses of the sub-atomic particles to calculate the mass, in amu, of a deuterium atom.

      (v) The actual mass of a deuterium atom is 2.014102 amu. Calculate the mass lost, in amu, when the sub-atomic particles fuse together.

      (vi) The mass lost is converted into radiant energy according to Einstein's equation E = mc 2 (m is measured in kilograms and c is the speed of light in m s -1 ). Using this equation, together with E = hv, calculate the frequency of the radiation emitted.

      (c = 3 x 10 8 ms -1 , 1 amu = 1.66 X 10 -27 kg)

      5 (a) Explain why 235 92U and 238 92U are regarded as isotopes of uranium.

      (b) The natural abundance of the two isotopes of uranium is:

      Use the values to calculate the relative atomic mass of uranium to two decimal places.

      (c) Sketch the mass spectrum (not to scale) of naturally occurring uranium. Label the axes. [3]


      Frequently Asked Questions (FAQs) about Atomic Structure

      What are the names of scientists who discovered electron, proton and neutron?

      Which sub-atomic particle has minus one charge and negligible mass?

      What is the charge on proton and neutron?

      Which model of atomic structure is called plum-pudding model or water-melon model?

      Which model of atomic structure is also called nuclear model of atom?

      Which model of atomic structure proposed that certain special orbits of electrons are found inside the atom?

      Which term refers to the total of protons and neutrons in the nucleus of an atom?

      Which term is used for atoms having the same mass number and different atomic number?

      Which term is used for atoms of the same element having same atomic numbers (Z) and different mass number (A)?

      Which isotope is used in the treatment of cancer?


      Voir la vidéo: How Small Is An Atom? Spoiler: Very Small. (Janvier 2022).