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Titre, structure de la matière.
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Pour étudier la minéralogie il  est important de bien connaître la structure de la matière, cette page est un rappel de quelques principes de base de la chimie moléculaire.

AU COEUR DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE . . . 

" Plus on en apprend, plus on sait que l'on ne sait pas et que donc, on a encore plus à découvrir sur l'Univers qui nous entoure. "
Dans ce monde pas de politique, pas de religion une seule philosophie LA RECHERCHE.
Comme je le dit au début de mes conférences, " l'étude de l'infiniment petit est la clé qui expliquera l'infiniment grand ! "

 

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Cette longue rubrique, se décline en trois pages :

1. L'introduction et les particules :

  • Fermions

  • Leptons

  • Nucléons

 

2. L'atome et les éléments chimiques

3. Les molécules

 

 

 
 
 
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Des fermions a la matiere

Tous les corps dans l'univers sont composés de molécules (10 -7)composées d'atomes infiniment petits (10 -8 mm). Par exemple dans une petite goutte d'eau d'un centième de gramme, il y a environ 30 000 000 000 000 d'atomes d'oxygène et 60 000 000 000 000 d'atomes d'hydrogène.

Notion de grandeur dans la matière

La matière est donc un ensemble des molécules qui sont elles même un assemblage d'atome mais en agrandissant les atomes on a découvert que chaque atomes est une ensemble de particules, des nucléons les protons et les neutrons qui forment un noyau et des électrons qui sont des leptons en orbites autour du noyau. En agrandissant encore on a découvert que les nucléons sont eux mêmes un assemblage de particules, des fermions, appelés quark soudés entre eux par des particules fondamentales des bosons de force forte que l'on a nommé gluons.

La composition chimique de la matière
Particules.
Tableau des quarks

Les électrons, particules du type lepton dont la charge électrique est négative. ils forment un nuage électronique autour des noyaux d'atomes.

Ce sont les électrons qui sont responsables des propriétés chimiques des atomes. La configuration électronique détermine les types d’atomes qui peuvent être liés à d’autres, la force et le type de la liaison. Donc, nous allons aborder l’étude des électrons et de la configuration électronique des atomes.

Dans l'atome tel que l'imaginais Niels Henrik David Bohr, physicien danois 1885-1962, les électrons « gravitent » autour du noyau en « couches », notées à partir de la première K, L, M, N, O, p, Q. Chaque couche peut contenir un certains nombres d’électrons. les couches associée à un nombre quantique principal, n, où nK =1, nL = 2, nM = 3, nN = 4, nO = 5, nP = 6, nQ = 7.

Le nombre d’électrons dans chaque couche est contrôlé par le nombre quantique principal suivant la relation : # électrons = 2n²

Donc, la couche K peut contenir 2 électrons, la couche L 8 électrons, la couche M 18 , la couche N 32, la couche O 50, la couche P 72 et la couche Q 98. En fait les couches O, P et Q ne sont jamais totalement remplies. L'Oganesson (Og), élément de synthèse de numéro atomique le plus élevé (Z = 118), ne comporte que 32 électrons sur la couche O, 18 sur la couche P et 8 sur la couche Q.

Orbitales, de l'atome de Bohr.
Niels Bohr, 1885-1922.jpg

La couche K[1] est la seule couche électronique commune à tous les éléments., cette couche est celle où les électrons disposent de l’énergie la plus faible et où ils sont donc aussi les plus stables. Les électrons de la couche L sont aussi stables que ceux de la couche K, ensuite la stabilité décroit de couche en couche. 

Le nombre de couches électroniques d'un atome dépend du nombre d'électrons de cet atome. Mais la capacité des couches électroniques d'un atome ne laisse pas présager de la répartition par couche de ses électrons. En effet, seuls les 18 premiers éléments chimiques du tableau périodique (de l'hydrogène [Z = 1] à l'argon [Z = 18] suivent un remplissage linéaire tendant vers la saturation de leurs couches électroniques (K, L et M).

La couche externe d’un atome est la dernière de ses couches accueillant des électron lorsqu’il se trouve dans son état fondamental (le plus stable), elle constitue la limite entre l’atome et l’espace extérieur. C’est cette couche et ses électrons qui sont amenés à interagir avec les autres entités chimiques.

Cette couche est d’une importance capitale pour expliquer et prévoir les caractéristiques chimiques d’un atome et elle permet en particulier de déterminer:

  • quels ions[2] stables un atome peut former ;

  • le nombre de liaisons chimiques covalentes qu’il peut établir au sein d’une molécule ;

  • la réactivité c’est à dire sa tendance à réagir (ou pas).

 

Les électrons des couches externes possèdent une énergie plus élevée que ceux des couches internes, car ils libèrent plus d’énergie lors de leur transition vers les couches internes. Lorsque ces transitions électroniques ont lieu, l’énergie est libérée sous forme de photons, comme les rayons X.

[1] - Pourquoi K ?  K est la première lettre de "kernel" qui veut dire noyau en allemand.

[2]- Ion : c'est un atome portant une charge électrique, quand son nombre d'électrons est différent de son nombre de protons. Il y a deux catégories d'ions :

- les cations, chargés positivement ; 
- les anions, chargés négativement. 

Planck a trouvé que l’énergie libérée lors des transitions électroniques est effectuée selon des paquets discrets, qu’il a appelé « quanta », et ces paquets d’énergie sont liés à une constante (appelée constante de Planck) et à la fréquence ou à la longueur d’onde de la radiation libérée.

E = hν = hc/λ

 

E = énergie

h = constante de Planck, 6,62517 x 10-27 erg.sec. ν = fréquence

c = vitesse de la lumière = 2,99793 x 1010 cm/sec λ = longueur d’onde.

CONSTANTE DE PLANK

Max Plank.jpg

Les schémas montrant les électrons en orbites autour des noyaux d'atomes sont une simplification.

Nuage d'électrons simplifié
Formes probables d'orbites d'électrons

Simplification

Animation de l'onde de l'hydrogène

Animation de l'onde de l'hydrogène
Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication

Nuage électronique

Les électrons autour d’un atome n’ont pas réellement de position définie. Ils forment une sorte de nuage autour du noyau, et ils sont constamment à tous les endroits à la fois, avec des probabilités bien définies toutefois. On ne peut pas parler de position, ou de quantité de mouvement, pour une particule, mais seulement de densité de probabilité de présence. Ces probabilités sont calculables avec une énorme précision, grâce à l’équation de Schrödinger. Mais on ne peut jamais dire où se trouve un électron à un instant donné.

C'est pourquoi l'on parle d'orbitale plutôt que d'orbite de l'électron, l'orbitale est la distribution de probabilité de position de l'électron. Pour se faire une image, on a calculé des vitesses prodigieuses d'environ 7.1015 (sept millions de milliards) de révolutions par seconde.

Les orbitales atomiques sont désignées par leur nombre quantique principal n et par un nombre qui caractérise leur forme :

 - le nombre quantique azimutal ou nombre quantique orbital, l.
Une orbitale atomiques ne peut pas contenir plus de 2 électrons.
Chaque électron a un nombre quantique de spin de valeur 
+1/2 ou 1/2.

Les couches d'électrons se décomposent en sous- couches s, p, d, F suivant les valeurs du nombre quantique orbital d’après le tableau :

Notation des sous-couche des orbitales.jpg

La notation s, p, d, F, nous vient des termes anglais qualifiant l'aspect des raies sharp, principal, diffuse, et fundamental. Les formes des surfaces décrites par ces sous-couches sont les suivantes :

Relation entre les couches et énergie.jpg

Les Quarks sont les plus petits composants de la matière, connus de nos jours. Alors que l'Univers n'a qu'une seconde d'existence ils vont former les nucléons, appelés protons (de charge électrique positive) et neutrons (sans charge électrique). Ils sont liés entre eux par l'interaction forte de petites particules, les gluons.

DÉCOUVERTE Mai 2018

Sources :
Jefferson Lab, Newport News, VA 23606, États-Unis
Wikipedia

Les noyaux des atomes sont un assemblage de deux sortes de particules, les nucléons en langage populaire ou plus scientifiquement baryons :

  • Les protons qui ont une charge électrique positive. Le nombre de protons d'un atome est son "numéro atomique" que l'on notera avant le symbole en bas, ex : 1H (hydrogène), 2He (hélium), 8O (oxygène)...

  • Les neutrons qui n'ont pas de charge électrique. 

Proton et neutron, répartition des quarks

Un proton est formé de deux quarks Up et un quark Down liés par des gluons,

sa charge électrique = 2/3+2/3-1/3 = 3/3 = +1

elle est donc positive


Un neutron est formé de deux quarks d et un quark u,

sa charge électrique = 2/3-1/3-1/3 = 0/3 = 0 

elle est donc neutre

POUR APPROFONDIR...
VOICI UNE EXCELLENTE VIDÉO

Il existe beaucoup d'autres particules mais il n'est pas nécessaire d'en parler dans le cadre de cette pagequi nous intéresse, nous laisserons donc de coté les photons, mésons etc.

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