Le modèle de Bohr ~ cours to all

I. Théorie
La composition d'un atome, la répartition des charges négatives autour d'un noyau positif ont été découverts aux horizons de 1912. Ce n'est qu'en 1932 que Rutherford assisté de Chadwick mettra en évidence la présence de particules neutres de masse comparable à celle d'un proton au sein du noyau.
Un défi de taille reste encore à expliquer à cette époque: l'émission de lumière par des atomes. Or, à cette époque, il est connu que l'émission de photons (de lumière) correspond à une énergie. Autrement dit, si l'atome émet de la lumière, c'est qu'il perd de l'énergie ! Or, les électrons ne semblent pas s'écraser sur le noyau ou les atomes subitement disparaitre et devenir instables !
Afin de rendre compte de cette stabilité atomique, Niels Bohr crée en 1913 un nouveau modèle d'atome:
Les orbites des électrons ne sont pas quelconques mais "quantifiées" (c'est à dire que tous les électrons se trouvant sur une même orbite possède la même énergie et que cette quantité d'énergie ne peut pas prendre n'importe quelle valeur, mais une de celles définies pour une couche existante).; seules certaines orbites particulières sont permises pour l'électron (correspondant dont à une certaine quantité d'énergie). Ce n'est que lorsque celui-ci saute d'une orbite à l'autre qu'il peut émettre (ou absorber) de la lumière.

	Selon le modèle de Bohr, l'électron tourne autour du noyau, sur une couche électronique bien définie. () résultats de son expérimentation !
	Sous l'effet de l'énergie thermique (chaleur) ou électrique ou encore par une onde électromagnétique (photon), l'électron est excité par cette énergie qu'il absorbe et saute sur une couche électronique plus énergétique.
	L'électron est sur une couche électronique plus énergétique. Cette situation est instable et le besoin de stabilité l'amène à perdre cette énergie pour se rapprocher du noyau.
	L'électron revient sur sa couche électronique, à son état fondamental. Lors de son retour, il libère, sous forme d'énergie lumineuse (photons), l'énergie thermique ou électrique qu'il avait absorbée.
	L'électron est à nouveau sur sa couche électronique définie.

Ressources de ce résumé: © Copyright 1997Tous droits réservés à l'Association québécoise des utilisateurs de l'ordinateur au primaire-secondaire (AQUOPS-CyberScol).
Conçu et administré par Ghislaine Bourque; illustrations: Olivier Caya

II. Application : Les sels chauffés
Ressources : Site web "Science amusante" : http://www.scienceamusante.net, © 1998-2008 Clovis Darrigan, Anima-Science.

1. Objectif :

Mettre en évidence la véracité du modèle de Bohr.

2. Matériel

Tiges en bois pour brochettes
Spatule
Sels métalliques en poudre :
Sulfate de cuivre CuSO₄ ou chlorure de cuivre (II) CuCl₂
Nitrate de baryum Ba(NO₃)₂ ou chlorure de baryum Ba Cl₂
Chlorure de sodium Na Cl
Nitrate de strontium Sr(NO₃)₂
Chlorure de calcium CaCl₂
Nitrate de potassium K NO₃
Nitrate de lithium Li NO₃
Petits flacons (100 mL), autant que de sels métalliques disponibles
Bec Mecker ou bec Bunsen ou, à défaut, un chalumeau à gaz

3. Mode Opératoire :

Préparer les solutions de sels métalliques en introduisant dans chaque flacon l'équivalent de 2 cuillères à café de poudre. Laver la spatule entre chaque poudre de manière à ne pas faire de mélanges. Remplir les flacons d'eau aux 2/3 et plonger une tige en bois dans chaque flacon.
Au dessus de la flamme du chalumeau (la plus bleue possible), faire passer tour à tour les tiges en bois imbibées des solutions de sels. Observer les différentes couleurs : vert, vert pâle, rouge, orangé-rouge, jaune-orange, lilas, rose fuchsia.

Schéma :

Note : ici, les sels ont étés dilués dans de l'eau (H₂O)
photo: © Clovis Darrigan

4. Résultats :

Construire deux tableaux avec les résultats et en analyser les résultats. Pourquoi y a t-il une émission de lumière ? Pourquoi celle-ci n'est pas toujours de la même couleur ? Pourquoi les intensités ne sont-elles pas identiques ?

Indique dans les cases du tableau périodique ci-dessous, les éléments observés lors de ce laboratoire et les couleurs émises.

	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1	H																	He
2	[rouge intense]
3
4	[faible]									[faible]	Ni
5	[violet]
6	[violet]	[faible]	La														At

Voici quelques-uns un des phénomènes observés avec d'autres sels (en photo), Que pouvez-vous en déduire ? Attention, il faut également savoir que les couleurs photographiées ne sont pas rendues à 100%.
K NO₃
Li NO₃
Sr (NO₃)₂ Na Cl
Cu SO₄
Ba (NO₃)₂

Ressources : Photographies reprises du site web "scienceamusante.net"
(http://scienceamusante.net ), avec l'accord de son auteur. © 1998 Clovis Darrigan.

Eléments de la famille 1 (Ia)

Quelques photophores colorés. Essaye d'identifier les éléments présents.
III. Représentation du modèle de Bohr
Les travaux de Niels Bohr
Niels Bohr est un physicien danois (7 octobre 1885 à Copenhague, Danemark - 18 novembre 1962 à Copenhague, Danemark).
Il propose en 1913 un modèle de l’atome amélioré en suggérant :
Les électrons sont répartis sur des couches autour du noyau
Les électrons qui appartiennent à une même couche ont une énergie identique constante
Les électrons lorsqu’ils sont excités peuvent passer d’une couche stable à une couche d’énergie plus élevée mais ils reviennent toujours à leur état d’énergie le plus bas
Il existe 7 couches électroniques autour du noyau d’un atome. Chaque couche correspond à une énergie.
Ces couches sont désignées par un nombre n de 1 à 7, appelé nombre quantique. Ces couches sont également désignées par une lettre.

Valeur de n
1
2
3
4
5
6
7
Lettre de la couche(à titre indicatif)
K
L
M
N
O
P
Q

III.1. La représentation d’un atome selon le modèle de Bohr
Où la couche 1 est la couche de plus basse énergie et la couche 4 est la couche de plus haute énergie.

III.2. La représentation d’un atome selon le modèle de Bohr
Les règles
Pour les éléments des 3 premières périodes :
Chaque couche ne peut contenir que 2n² électrons. (où n est le numéro de la couche)
Les électrons des atomes stables occupent les couches d’énergie les plus basses
Exemple : la représentation de l’oxygène dans le modèle de Bohr

K² L⁶

Calculons le nombre théorique maximal d’électrons que peut contenir chaque couche

Pour les éléments des autres périodes (4 à 7) :

De nombreuses exceptions à la règle de remplissage « 2.n² » rendent l’utilisation de la formule difficile. Seule l’utilisation du tableau périodique permet de déterminer l’occupation et le remplissage des différentes couches.

Exemple : la représentation du Fer dans le modèle de Bohr

K	2	26 Fe 55,85
L	8
M	14
N	2

K² L⁸M¹⁴ N²

Ce qu'il faut savoir : sur chaque couche peut se trouver au maximum 2n² électrons ( n étant le chiffre qui désigne la période). Exemple pour la période 2, le maximum d'électrons de la couche sera : 2. (2)² soit 8. !! Ce nombre n est appelé nombre quantique. ( Note : à partir de la 4° période d'autres règles s'appliquent et il ne faut plus nécessairement qu'une couche soit remplie totalement pour pouvoir en mettre une autre. Dans ce cas, se référer au tableau périodique).

IV. Application du modèle de Bohr : Les ampoules à décharges
IV.1. Composition des ampoules « économiques » fluo compactes
Composition chimique : mélange gazeux de mercure et d’argon. (L’argon ne joue aucun rôle dans la réaction).
k
2
80
Hg
200,59
L
8
M
18
N
32
O
18
P
2

R : 23-33-50/53
S : 7-45-60-61
Propriétés physiques
État ordinaire (CNTP)
Liquide
Température de fusion
-38,87 °C
Température d'ébullition
356,6 °C

Une ampoule économique type « fluo compacte » contient environ 5 mg de mercure.

La concentration maximale admissible sur le lieu de travail du mercure s’élève à  0,05 mg/m³.
L’exposition aux vapeurs de mercure peut entraîner des inflammations des bronches et des bronchioles, la plupart du temps accompagnées d’une détresse respiratoire et d’une cyanose (coloration bleutée de la peau, des muqueuses et des ongles du fait de  ’augmentation de l’hémoglobine réduite dans le sang capillaire). Ces  symptômes peuvent apparaître après quelques heures d’exposition seulement à des concentrations de plus de 1-3 mg de mercure par m3, fréquemment accompagnés de céphalées et de fièvre.
source: Confédération suisse | Département fédéral de l'intérieur DFI | Office fédéral de la santé publique OFSP, Unité de direction Protection des consommateurs, juin 2007
avantages
La faible consommation en énergie pour une émission de lumière comparable aux ampoules à incandescence
La longue durée de vie (+ de 10.000 heures)
inconvénients
La présence de vapeurs de mercure et l'absence de filières de recyclage organisées dans tous les pays l'utilisant
La couleur globale émise (lumière essentiellement bleutée, manquant de rouge)

IV.2. Type de lumière émise (quelles sont les énergies des photons émis ?)
IV.2.1. L'émission du Mercure
Type de lumière émise (photons) : essentiellement des UV (lumière invisible de haute énergie) et quelques bandes (orange-jaune-vert-bleu-violet).
La composition chimique de la poudre fluorescente est un secret industriel et chaque poudre ou mélange est protégé par un brevet.
On peut juste signaler qu’il s’agit souvent de sels de phosphore.

IV.2.2. L'émission d'une ampoule à incandescence comparée à un tube fluo compacte ("néon")
A la simple émission des atomes de mercure, vient s'ajouter l'émission de la poudre fluorescente qui permet d'étendre la gamme des photons émis.
Lumière émise par une ampoule à incandescence
Lumière émise par une ampoule fluo compacte (émission du mercure + émission des sels fluorescents)

I.R.
rouge
jaune
vert
bleu
mauve
U.V.

L’émission d’Ultra violets de l’ampoule fluo compacte n’apparaît pas, car l’enveloppe en verre stoppe les rayons U.V. Ils ne sont donc pas visibles sur le spectre de l’ampoule.

IV.3. Schéma d'une ampoule fluo compacte

Source schéma - Journal de Montréal retravaillé (public domain)

IV.4. Principe de fonctionnement au niveau atomique expliqué à l'aide du modèle de Bohr
étape 1
étape 2

Lettre de la couche	K	L	M	N	O	P	Q
Valeur de n
Nombre d’électrons max. (2n²)					32 !!	18 !!	8 !!

Le modèle de Bohr

I. Théorie