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Court rappel

La longueur d'onde

Comment déterminer la célérité d'une onde lumineuse ?
La vitesse de la lumière dépend de son milieu de propagation.

La longueur d’onde est une grandeur physique homogène à une longueur. Elle est caractéristique d’une onde monochromatique (c’est à dire d’une seule couleur). Dans un milieu homogène, elle définit la distance séparant deux maxima (c’est à dire, deux valeurs maximales) consécutifs de l’amplitude.

Il est important de savoir que la longueur d’onde dépend de la célérité. Selon le milieu qu’elle traverse, cette dernière sera plus ou moins élevée.

La longueur d’onde est habituellement notée à l’aide de la lettre grecque lambda (λ). Dans le système usuel, on utilise souvent le nanomètre (nm) comme unité. Dans le système international (SI), elle se note en mètre (m).

Pour rappel, 1 nm = 10-9 m

Le système international des unités

L’ensemble des unités associées aux dimensions fondamentales constitue le système international d’unités. Il s’agit du système MksA (mètre, kilogramme, seconde, Ampère), mais le Kelvin, le mole et le candela font aussi partie de ce système. Ces unités sont appelées unités légales. Elles sont universelles et connues de par le monde entier.

Il est important de savoir que toutes les autres dimensions se déduisent de ces sept dimensions fondamentales par produit ou division de ces dimensions.

Dans certains sujets d’exercices, les grandeurs ne sont pas exprimées dans le système international mais avec des grandeurs usuelles. Il est facile de les comprendre et elles sont parfois utilisées dans la vie de tous les jours, mais il est essentiel de toujours effectuer les calculs avec les grandeurs exprimées dans l’unité internationale pour éviter les erreurs.

Quelques informations de bases sur l'atome

Etymologie du mot hydrogène

Comment se comporte polairement la molécule d'eau ?
L'hydrogène est un atome composant la molécule d'eau : H2O !

Le mot hydrogène est formé du préfixe -hydro, provenant du grec ancien ὕδωρ signifiant eau, et du suffixe -gène, provenant du grec ancien γεννάν signifiant qui génère, qui forme, qui engendre.

Ce fut le chimiste français Antoine Lavoisier qui proposa ce nom en 1783 dans le livre Méthode de nomenclature chimique coécrit avec de Guyton de Morveau, Berthollet et de Fourcroy. En effet, grâce à une hydrolyse de l'eau, on a découvert que l'hydrogène et l'oxygène étaient des composant de l'eau, d'où le sens étymologique de "formeur d'eau".

Premières découvertes de l'atome

En 1671 le chimiste irlandais Robert Boyle étudie les effets de l'acide sulfurique dilué sur le fer et observe qu'il y a production d'un gaz inflammable qu'il n'identifie pas comme un nouveau composé mais qui correspond en réalité à du dihyrogène.

Robert Boyle n'est pas le seul à passer à coté d'une découverte, d'autres scientifiques du XVIIème siècle font les mêmes observations sans aller plus loin et ce n'est qu'en 1766 que Henry Cavendish analyse ce gaz.

Il montre qu'il peut être obtenu par réaction entre divers acides et des métaux tels que le fer, le zinc ou l'étain et met en évidence des caractéristiques qui le distingue des gaz connus: il est moins dense que l'air et peut brûler de manière explosive. Cette dernière caractéristique lui vaut le nom d'air inflammable mais par ailleurs cette combustion produit de l'eau ce qui pousse, en 1783, le chimiste français Antoine Laurent de Lavoisier à proposer le nom d'hydrogène (en grec "formeur d'eau").

En 1800 Les chimistes anglais William Nicholson et Anthony Carlisle montrent qu'il peut être obtenu par électrolyse de l'eau. En 1878 l'analyse du spectre de la lumière solaire permet de le détecter dans l'atmosphère de notre étoile.

Deux nouveaux isotope de l'hydrogène sont découvert par la suite, le deutérium (en 1932) et le tritium (en 1934).

L'hydrogène dans la nature

L'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers. En effet, il représente 92% en nombre d'atomes, 75% en masse. Il est majoritairement présent dans les étoiles et les planètes externes gazeuses à cœur solide. Il est également le principal composant des nébuleuses et du gaz interstellaire.

Cependant, il ne représente dans la croûte terrestre que 0,22% des atomes. Il est donc loin derrière l'oxygène, qui représente 47% des atomes, et le silicium qui représente 27% des atomes.

Il est également rare dans l'atmosphère terrestre. En effet, il ne représente, en volume, que 0,55 ppm des gaz atmosphériques. La source la plus commune d'hydrogène sur Terre est l'eau dont la molécule est composée de deux atomes d'hydrogène pour un atome d'oxygène. L'hydrogène est également et surtout le principal constituant, en nombre d'atome, de toute la matière vivante. Il est associé avec le carbone dans tout les composés organiques.

Par exemple, l'hydrogène représente 63% des atomes et 10% de la masse du corps humain.

L'hydrogène, soumis à de très faibles pression quand il est présent dans l'espace, a tendance à exister sous la forme d'atomes individuels puisqu'il n'entre pas en collision avec d'autres atomes pour se combiner. On peut alors trouver des nuages d'hydrogène qui sont à la base du processus de la formation des étoiles.

D'après la théorie du Big Bang, il s'est formé peu après la naissance de notre univers alors que les éléments plus lourds ne sont apparus que bien plus tard sous l'effet des réactions de fusion nucléaire se réalisant dans le cœur des premières étoiles et au sein des supernovas. Notre Soleil en est par exemple composé à 74% (en masse).

Comment s'est créée la vie ?
D'après plusieurs théorie, l'Univers tel que nous le connaissons serait né après l'explosion, une dilatation.

Quelques propriétés physiques et chimiques de l'hydrogène

Corps simple de l'hydrogène

L'hydrogène est le premier élément de la classification périodique. Son noyau n'a qu'un seul proton et son isotope principal est même dénué de neutron (un cas unique) ce qui fait de l'atome d'hydrogène le plus simple, le plus petit et le plus léger des atomes.

Il occupe aussi un statut un peu particulier dans la classification périodique : sa place dans la première colonne aurait pu lui valoir d'appartenir à la famille des alcalins tandis que l'électron lui manquant pour compléter sa couche externe aurait pu le rattacher à la famille des halogènes. Cependant ses propriétés le distingue si nettement de ces deux familles qu'il a par défaut été classe comme "non métal".

A température ambiante et pression atmosphérique, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz incolore, inodore, peu dense qui brûle de manière explosive au contact de l'air en produisant de l'eau.

Il peut être produit par réaction entre un acide et un métal ou par électrolyse de l'eau.

L'hydrogène sous forme de corps simple, sauf à des pression extrêmement basses comme dans l'espace intergalactique ou extrêmement hautes comme dans les parties centrale de Jupiter et Saturne, est formé de molécules de dihydrogène de formule H2.

On dit, lorsque l'hydrogène est soumis à des pressions extrêmement hautes, qu'il est dans un état dit "sombre", un état intermédiaire entre le gaz et le métal. Dans cet état, il ne reflète et ne transmet pas la lumière mais il devient également très faiblement conducteur d'électricité. On peut alors l'apparenter aux métaux alcalins qui suivent, dans le groupe 1 du tableau périodique des éléments de Mendeleïev.

Tandis qu'aux pressions les plus basses, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz monoatomique.

Hydrogène gazeux

Dans des conditions normales de pression et de température, c'est à dire les conditions qui intéressent la chimie et les sciences de la Terre, l'hydrogène est présent sous la forme d'un gaz moléculaire de dihydrogène, de formule H2. En effet, le dihydrogène est capable de former dans les galaxie des nuages moléculaires à l'origine de la formation des étoiles.

Comme dit précédemment, à basse pression et à haute température, l'hydrogène est présent sous la forme de gaz monoatomique, de formule H. C'est dans cette forme que nous pouvons le trouver dans l'espace, en tant que gaz interstellaire ou intergalactique.

C'est à cause de l'immensité de l'espace, et ce malgré la faible densité du gaz, que l'hydrogène monoatomique constitue environ 75% de la masse baryonique de l'Univers.

La masse baryonique est un terme désignant toute la matière composée de particules élémentaires appelées baryons. Cela correspond alors aux protons et neutrons auxquels on lie des électrons, appelés leptons, qui composent les atomes, les molécules et toutes les structures visibles dans l'Univers observable.

Hydrogène solide

Il est possible d'obtenir de l'hydrogène solide en abaissant la température en dessous du point de fusion du dihydrogène, c'est à dire à 14,01 K, soit -259,14°C.

Cet état fut obtenu pour la première fois en 1899 par James Dewar.

Hydrogène métallique

Lorsqu'il est soumis à de très fortes pressions et à de très basses température, l'hydrogène atteint une phase dite métallique. Certains estiment qu'il existe un intervalle de pressions sous lesquelles, même soumis à de très basse températures, l'hydrogène métallique est liquide.

Les isotopes de l'hydrogène

En perdant son unique électron, l'hydrogène donnera une ion H+ fréquemment nommé proton, c'est l'isotope le plus abondant.

Le proton ne peut exister en solution à l'état libre, il est toujours lié au nuage électronique d'une molécule tandis qu'en solution aqueuse il est solvaté par les molécules d'eau. Il forme ainsi l'ion hydronium H3O+, on l'appelle aussi oxonium ou hydroxonium.

L'atome d'hydrogène peut également obtenir un second électron pour obtenir l'ion hydrure de formule H-. Il possède alors le même cortège électronique stable que l'atome d'hélium.

De plus, l'hydrogène est le seul élément dont les différents isotopes possèdent des noms distincts et même parfois un symbole propre.

L'isotope majoritaire est le protium, baptisé ainsi car il ne comporte qu'un proton dans son noyau et les autres principaux isotopes sont le deutérium (symbole D) et le tritium (symbole T).

Il existe d'autres isotopes (le tetranium A=4, le pentium A = 5, l'hexium A = 6 et le septium A = 7 ) mais ces dernier sont radioactifs et hautement instables avec des périodes radioactives toutes nettement inférieures à une seconde.

Les ions de l'hydrogène

En solution aqueuse l'hydrogène forme le cation de formule H+ constitué d'un seul et unique proton.

Cet ion appelé ion hydronium, ion hydroxonium ou oxonium (ces termes sont synonymes) s'associe à une molécule d'eau pour former l'ion H3O+.

Il s'agit de l'ion responsable de l'acidité, cette dernière augmente et le pH diminue lorsque la concentration en ion H3O+ augmente.

Par ailleurs ces ions sont présents même dans l'eau pure car celle-ci est le siège d'un phénomène appelé autoprotolyse de l'eau qui conduit les molécules d'eau à former des cations hydrogène et des ions hydroxyde suivant l'équilibre :

[ 2 H _ { 2 } O rightleftarrows H _ { 3 } O ^ { + } + O H ^ { - } ]

Les spectres lumineux

Le spectre d'émission

Spectre visible

Est-ce-que les chiens voient les couleurs ?
Homme, chat, insecte, nous ne voyons pas tous l'Univers qui nous entoure de la même manière.

La lumière est une onde électromagnétique dont la couleur dépend de la longueur d’onde. Chaque teinte et nuance est caractérisée par son propre intervalle de longueur d’onde et il peut s’avérer délicat d’établir des limites précises des différentes couleurs d’une part et du domaine des lumières visibles d’autre part.

Pour cause, il n’existe qu’une couleur possible par longueur d’onde. Les valeurs fournies varient selon les sources, les plus approximatives retiennent pour la lumière visible un intervalle allant de 400 nm à 800 nm. Les sites éducatifs de la NASA et du CNRS proposent de retenir l’intervalle [400 nm – 700 nm]

Spectre continu d'origine thermique

Le spectre continu est un spectre lumineux composé de rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d’onde varient de manière continue : cela implique qu’il ne s’achève pas de manière brutale à ses extrémités, mais qu’à ces dernières l’intensité des radiations décroit progressivement jusqu’à être nulle.

Cela suppose aussi que le spectre ne comporte pas de discontinuité et qu’il ne lui manque aucune longueur d’onde ou intervalle de longueur d’onde. Un spectre continu n’appartient pas forcément au domaine du visible, il peut appartenir à un autre intervalle de longueur d’onde comme ultraviolet ou infrarouge.

Un corps chaud émet un rayonnement continu qui s'enrichit en radiations de courtes longueurs d'ondes (vers le violet) quand la température de ce corps augmente. Le spectre d'un tel rayonnement est un spectre d'émission car c'est celui d'une lumière émise par un corps. C'est aussi un spectre continu car toutes les radiations possibles d'une certaine plage de longueurs d'onde sont présentes. (exemple : lampe à filament)

En d'autres termes, on peut dire que spectres continus sont des spectres d’origine thermique, car qu’ils sont obtenus à partir de sources (dans un état solide, liquide ou gazeux) portées à température suffisamment haute pour émettre de la lumière.

De ce fait, une lumière à spectre continu est donc émise par tout corps incandescent, comme du magma en fusion, des braises, le métal travaillé dans une forge ou encore le filament d’une lampe chauffé par effet Joule lors du passage du courant.

La lumière blanche est le seul spectre continu visible par l’homme. En effet, si la lumière a une couleur, le spectre n’est plus continu puisqu’il manque au moins une longueur d’onde.

Spectre de raies

À température élevée, les atomes isolés et les ions monoatomiques en phase gazeuse peuvent émettre de la lumière dont le spectre n'est pas continu. Ce type de spectre est appelé spectre de raies d'émission. On peut notamment parler de l'exemple de la lampe à vapeur.

Le spectre d'absorption

On appelle spectre d'absorption le spectre d'une lumière ayant traversé un milieu qui l'a privé d'une partie du rayonnement initial, notamment un corps gazeux.

Selon la composition chimique du gaz, le spectre initialement continu présente alors des raies noires correspondant aux longueurs d’onde absorbées, on peut notamment parler du cas du Soleil.

En effet, dans le cas où la lumière traverse un gaz, les photons contenus dans le rayonnement peuvent être absorbés par l’atome, dans l’éventualité où ils contiennent la quantité d’énergie nécessaire à ce que l’électron de l’atome considéré puisse passer à un niveau d’énergie supérieur. Ainsi, lorsque le photon disparaît du rayonnement, il laisse alors une raie noire sur le spectre d’absorption initialement continu.

C'est pour cela que l’analyse d’un spectre de raie permet d’identifier les substances présentes dans l’atmosphère d’une étoile.

Solutions colorées

Spectre de bandes : la traversée des solutions colorée par de la lumière blanche conduit à la lumière colorée dont le spectre, par comparaison au spectre de la lumière blanche, montre l'absence d'une plage de radiations. Il s'agit d'un spectre de bandes d'absorption. (exemple : sodium)

Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de bandes sur le spectre de la lumière continu.

Gaz d'atomes ou d'ions monoatomiques : spectre de raies

Un atome ou un ion monoatomique en phase gazeuse ne peut absorber que les radiations qu'il est
capable d'émettre. (exemple : sodium). Dans ce cas, le spectre obtenu correspond à l'apparition de raies colorées sur fond noir.

Exercice : L'énergie atomique de l'hydrogène

Dans l’expression En= -E0/n2  donnant les niveaux d’énergie de l’atome d’hydrogène ; où E0 = 13.6 eV

  1. donner en justifiant la réponse, la valeur de n correspondant à l’état fondamental
  2. calculer les valeurs des quatre  premiers niveaux d’énergie. Construire sur votre copie le diagramme énergétique de l’atome d’hydrogène
  3. la raie d’absorption lyman alpha (L alpha ) fait partie d’une série de raies appelée série de lyman. cette série correspond à des absorptions à partir du niveau fondamental vers un niveau excité d’énergie En. les  longueurs d’onde sont telle que 1/(lambda)n=  RH(1-1/n2 ) ou RH est la constante de Rydberg
    1. établir   l’expression de RH en fonction de E0 ; C et h
    2. quelle est la dimension de RH ?
    3. calculer RH
    4. calculer la plus la petite et la plus grande longueurs d’onde de la série de lymann
    5. quels sont les niveaux d’énergie concernés par la raie d’absorption lyman alpha  ?  Représenter sur un  digramme énergétique , à l’aide d’une flèche la transition correspondante à cette absorption. Calculer en ev l’énergie du photon absorbé
  4.  l’atome d’hydrogène est dans son état fondamental on lui fournit de l’énergie
    1. W1 =  10.4 ev :
      1. à l’aide d’un faisceau d’électron
      2. à l’aide d’un faisceaux lumineux
  5. L’atome va être excité ou non ?  si oui vers quel niveau ?
    1. W2= 10.2 eV
      1. W3 = 15eV
    2. que se passe t il dans les deux cas ? justifier

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Joy

Freelancer et étudiante en Sciences de la Vie et de la Terre, je suis un peu une grande sœur qui épaule et aide les autres pour observer et comprendre le monde qui nous entoure et ses curieux secrets !