• ECTS

    4 crédits

  • Composante

    Faculté des Sciences

Description

Cet enseignement présente les bases de la chimie en se focalisant plus particulièrement sur les propriétés atomiques en lien avec la liaison chimique. Il commence par une introduction rapide sur les propriétés quantiques des électrons et des atomes qui sont nécessaires à la compréhension de la réactivité chimique. Il s’intéresse aux propriétés des atomes (quantification et remplissage des niveaux électroniques, énergie d’ionisation, spectroscopie, etc.) en lien avec leurs propriétés quantiques. Ceci permet de discuter l’évolution des propriétés atomiques au sein de la classification périodique des éléments et de rationaliser une partie de leurs propriétés. Ensuite, les différents types de liaisons fortes (ioniques, métalliques, covalentes) ou faibles (hydrogène et Van der Waals) sont étudiées et rationalisées en fonction des propriétés atomiques. A partir des différentes natures de liaison, la notion d’entité chimique et son lien avec la formule brute chimique est introduite. Finalement, les différents états de la matière seront illustrés et expliqués, avec une étude plus particulière des solides cristallins classiques.

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Objectifs

Compétences à acquérir :

  • Avoir des notions de mécanique quantique et de ses principes ;
  • Savoir calculer les propriétés électroniques et optiques de l’atome d’hydrogène et des hydrogénoïdes ;
  • Savoir déterminer la configuration électronique des atomes ;
  • Connaître le lien entre la structure électronique des atomes et la position dans la classification périodique des éléments ;
  • Connaître les grandes familles d’éléments (alcalins, alcalino-terreux, métaux de transition, terres rares, halogènes, gaz rares, etc.) ;
  • Etre capable de rationaliser les propriétés atomiques (à savoir : énergie de première ionisation, électronégativité, affinité électronique) ;
  • Savoir utiliser le modèle de Slater pour déterminer les propriétés atomiques mentionnés ci-avant ;
  • Etre capable de déterminer le type de liaison en fonction des atomes impliqués ;
  • Savoir déterminer les entités chimiques présentes à partir d’une formule brute ;
  • Connaître les différents états de la matière et leurs caractéristiques
  • Avoir les connaissances de base sur les structures cristallines (notions de réseau, motif, maille, etc.) ;
  • Connaissance des structures cristallines simples (cubique simple, cubique centré, cubique à faces centrées, et hexagonal compact) pour les métaux et composés ioniques (structures NaCl, ZnS blende, et CaF2 fluorine), et des structures diamant et graphite ;
  • Savoir faire des calculs simples sur les mailles (à savoir : nombre d’atomes par maille, rayon atomique, paramètre de maille, compacité et masse volumique).
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Syllabus

Introduction à la mécanique quantique

·         La lumière : onde électromagnétique, longueurs d’onde du visible de l’infra-rouge et de l’ultraviolet, dualité de la lumière ;·         Principes de la mécanique quantique : dualité onde-corpuscule ; principe d'incertitude d'Heisenberg ; limite classique/quantique ;·         Equation de Schrödinger : forces de Coulomb présentes dans les hydrogénoïdes ; énergie potentielle d’interaction entre l’électron et le noyau ;·         Résolution de l’équation de Schrödinger (cas général non détaillée) : les solutions sont les fonctions d’onde et les énergies (quantifiées) ;·         Le spin électronique (introduction par expérience classique).

L’atome d’hydrogène et les hydrogénoïdes

·         Rappel sur les noyaux atomiques (proton Z, nucléons A), la notion d’isotopes et les atomes ;·         Définition des hydrogénoïdes ;·         Ecriture de l’équation de Schrödinger pour les hydrogénoïdes ;·         Présentation des niveaux d’énergie (formule des hydrogénoïdes) ;

  • Spectre d’émission de l’atome d’hydrogène ;

·         Utilisation de cette formule (énergie d’ionisation, propriétés optiques, introductions des séries spectroscopiques de Lyman, Paschen et Balmer, etc.) ;·         Description des fonctions d’onde de ces atomes : orbitales atomiques ; nombres quantiques n, l, m (et ms) et nomenclature (lien K,L,M / nspd) ; notion de dégénérescence ; lien entre les nombres quantiques et la forme/taille (densité radiale de probabilité) des orbitales.

La structure électronique des atomes/classification périodique

·         Règles de remplissage électronique (Klechkovski, Hund et Pauli) et application à quelques exemples ;·         Notions d’électron de valence et d’électrons de cœur ;·         Formalisme des cases quantiques ;·         Présentation de quelques exceptions (structures en s1d5 et s1d10) ;·         Lien avec la classification périodique (notion de blocs s, p, d, f) : capacité à trouver la configuration électronique directement à partir de la classification ;·         Familles vrais de la classification périodique.

 

Modèle de Slater et propriétés atomiques

  • Calcul de l’écrantage et de la charge effective ;

·         Energie électronique et atomique ; application à quelques exemples ;·         Rayon atomique ;·         Définition de l’énergie de Nième ionisation, de l’affinité électronique et de l’électronégativité ;·         Évolutions de ces propriétés dans la classification périodique (avec utilisation de Slater sauf pour l’affinité électronique).

 

Notion de liaison chimique

·         Liaisons fortes : métallique ; covalente ; ionique ;·         Liaisons faibles : liaison hydrogène ; liaisons de van der Waals ;·         Caractère mixte des liaisons (triangles de van Arkel-Ketelaar) ;

  • Modèle ionique de la matière (nombre d'oxydation) ;

·         Détermination des entités chimiques : décrypter une formule chimique en prédisant les éventuelles entités chimiques présentes en son sein ; connaissance de la formule chimique et du nom d’anions et de cations courants ;·         Propriétés des entités chimiques : température de fusion ; solubilité ; caractère conducteur/isolant.

 

Etats de la matière et le solide cristallin

  • Etats de la matière : solide cristallin/amorphe ; liquide ; gaz et plasma ;

·         Structure cristallines : notions de maille ; motif vecteur de répétition ;·         Mailles homonucléaires simples (cubique simple, cubique centré, cubique à faces centrées, et hexagonal compact), et propriétés (nombre d’atomes par maille, rayon atomique, paramètre de maille, compacité et masse volumique) ;·         Cristaux ioniques simples (structures type CsCl, NaCl, ZnS blende et CaF2 fluorine), et propriétés (par exemple, rayons ioniques) ;·         Cristaux moléculaire classiques (par exemple, diiode, graphite, diamant) et propriétés (par exemple, rayons van der Waals).

 

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Bibliographie

  • Mémo visuel de chimie générale – Dunod – 2019 – isbn 978-2-10-078640-4
  • Chimie : Cours, exercices et méthodes – Dunod – 2017 – isbn 978-2-10-0748310
  • Chimie L1 : Je me trompe donc j’apprends ! – Dunod – 2020 – isbn 9782100795659
  • Chimie générale : Tout le cours en fiches ; 2ème édition – Dunod – 2016 – isbn 9782100744800
  • Les cours de Paul Arnaud : Chimie générale ; 8ème édition – Dunod – 2016 – isbn 9782100744824
  • Les cours de Paul Arnaud : Exercices résolus de chimie générale ; 4ème édition – Dunod – 2016 – isbn 9782100754755
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