Catégorie : Physique

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Le tableau périodique

Avant de s’attaquer à la chimie et à la représentation des molécules, il est nécessaire de faire un point sur ce qui est le socle de l’électronique intrinsèquement lié à cette discipline, j’ai nommé le tableau périodique.

Pourquoi ? Car pour garder des molécules neutres il est nécessaire d’avoir une équivalence électronique qui va être la balance de la charge positive protonique hormis pour les anions (-) ou les cations (+)

Je vais vous présenter cinq tableaux différents dont deux premiers que l’on analysera en détail pour en comprendre la structure. Le troisième présentera une imagerie des matériaux qu’ils soient liquides solides ou gazeux. Le quatrième présentera une application concrète dans l’industrie ou la métallurgie dans des buts didactiques et pédagogiques et enfin un cinquième avec une interprétation quantique.

Il n’est pas si aisé de savoir lire le tableau périodique imaginé par Mendeleïev en 1869, car en fait il regorge d’informations ou encore d’interprétations.

Parlons de sa structure première, il hiérarchise les éléments en colonnes 18 qu’on appellera couches et en 7 lignes qu’on appellera périodes, qui sont en fait les périodes de révolutions des électrons (leur trajectoire orbitale sur la couche). Il présente 118 éléments en fonction de leur masse croissante par rapport à l’isotope(même nombre de protons mais pas de neutrons) du carbone 12.

Chaque élément présents sur le même couche ou colonnes présentent un nombre d’électrons de valence commun c’est à dire d’électrons qui participent à la liaison chimique quand deux atomes vont se lier pour former une molécule. L’Hélium qui n’en comporte que deux est l’exception qui confirme la règle.

Tout d’abord comment se lit une case du tableau périodique :

Le nombre atomique représente le nombre de protons, la lettre son appellation lorsque l’on lit une formule moléculaire. La masse soit quantité de matière figure en dessous ou en haut a droite dans un dictionnaire .

Sur certains tableaux on peut trouver l’élément sous la forme à l’état 0° avec une équivalence de pression en kPa et parfois le nombre de masse (c’est à dire le nombre de protons et de neutrons) par opposition au nombre de charges qui sont le nombre d’électrons et donc insidieusement de protons (l’atome étant neutre).

L’hydrogène est sur la colonne 1 donc il a un électron sur sa couche externe.

Maintenant le tableau dans son intégralité :

A partir de la 13ème couche on note la colonne : 13-10 = 3 pour occulter les métaux dits de transition en jaune dans le tableau.

Premier exemple :

Lorsque je prends le Carbone, je vois qu’il est en couche 14-10 = 4, il a donc 4 électrons sur sa couche externe. Bien mais si je veux le lier à un atome d’oxygène pour former par exemple du dioxyde de carbone. Je lis que l’oxygène est sur la couche 16 -10 = 6, il a donc 6 électrons sur sa couche externe.

Comment faire pour les assembler correctement sur le plan de la molécule ? Vous me direz c’est simple c’est CO mais pas du tout. Car il n’ont pas le même nombre d’électrons qui participent à la liaison chimique donc le nombre d’atomes du composé ou de la formule moléculaire devra aussi respecter une équivalence atomique.

Lorsque l’on travaille en seconde ou première, nous travaillons principalement avec 3 couches électroniques : la couche K, la couche L et la couche M.

Cette répartition en 3 couches est fondamentale pour appliquer la règle du duet(2) et de l’octet(8),

On cherche à saturer ces couches pour que la dernière d’entre elle, j’ai nommé la couche externe forme des liaisons covalentes entre différents atomes du tableau périodique pour former des composés moléculaires.

Il faut savoir que la couche K est saturé par un duet,(2) d’électrons que la couche L par un octet (8) d’électrons et que la couche M par un nombre de 18. Vous vous dites 18 c’est beaucoup et c’est fastidieux à calculer…

Et bien vous avez raison, quand on calcule des liaisons chimique pour assembler deux atomes en molécules on va se rapporter à la disposition électronique du gaz rare associé car ce sont des matériaux chimiquement inertes et méta-stables. (En Bleu sur le tableau) .

Après cette digression, reprenons notre tableau, et revenons sur notre exemple : je sais que le carbone et l’oxygène comme on l’a vu ont 4 et 6 électrons sur leur couche externe, mais je sais aussi que le gaz le plus proche est le Néon.

On sait que le Carbone, l’oxygène et le Néon sont sur la ligne ou période n°2, donc ils n’ont que deux couches électroniques et la deuxième j’ai nommé L sera la dernière : Leur répartition électronique est donc :

Carbone 6(nombre d’électrons ou de protons) :

K(2) L(4)

Oxygène (8):

K(2) L(6)

Néon (Ne 10)

(K)2 (L)8

Pour l’oxygène : 8-6 = 2 électrons de valence

Pour le carbone 8-4 = 4 électrons de valence

Pour que notre composé de dioxyde de carbone soit stable : il faut que l’atome de carbone soit lié 4 fois à l’atome d’oxygène qui lui devra être relié deux fois à l’atome de carbone. Donc implicitement il nous faut deux atomes d’oxygène : 2atomes x2 électrons = 4 électrons de valence :

Notre formule sera donc CO2 :

Un trait représentant deux électrons, on voit bien que chaque atome d’oxygène a deux liaisons et que le carbone en a au total 4.

Vous avez compris ? Cet article n’est pas terminé, j’en ferai un peu plus car on a beaucoup amélioré le tableau périodique que vous trouvez dans vos dictionnaires aujourd’hui. Je suis encore en phase de recherche Plein de nouveaux paramètres viennent le compléter, et je n’ai montré à travers cet exercice qu’un petit exemple de son utilité et sa puissance. En attendant voici deux tableaux plus ludiques :

Tableau périodique version minéral :

Tableau périodique Applications usuelles :

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Mécanique Quantique : Sens

Carlo Rovelli est un éminent physicien et philosophe des sciences italien né en 1956.

A travers Helgoland (le sens de la mécanique quantique), il trace la genèse de la pensée théoricienne des quantas de l’ancien penseur indien Nagarjuna à Werner Heisenberg en passant par Lénine et Alexandr Malinovski.

D’abord, Rovelli nous raconte comment Werner Heisenberg lors de son séjour sur l’île sacrée d’Helgoland établit après une révélation, la théorie des quantas observables et des sauts électroniques entre les orbites de Niels Bohr.

S’ensuit un débat houleux avec Schrödinger qui défend la thèse de la fonction d’onde baptisée Ѱ qui ne se révélera de lui-même n’être qu’un simple instrument de mesure, une probabilité.

A travers deux expériences de pensées : dont l’une est le célèbre apologue du chat mort/vivant de Schrödinger cruciale pour expliquer la décohérence quantique, Rovelli nous livre toute sa réflexion sur une physique quantique qui fonctionne parfaitement par le calcul mais que personne n’appréhende complètement.

Pour lui, la physique des quantas est la physique des interrelations entre l’objet observé, l’observateur et son témoin. Tout l’enjeu du livre est de comprendre comment ces relations transcendent la subjectivité du moi qui observe pour embrasser le fonctionnement de la nature.

Même si les opérations arithmétiques ne sont présentes qu’à l’index, je recommande ce livre à tous ceux qui souhaitent approfondir leur culture générale sur la mécanique quantique.

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Intrication Quantique

Il y’a une dizaine d’années je découvrais par curiosité un concept de la mécanique quantique qui m’avait fasciné : celui de l’intrication.

Toute paire de photons dont les états de polarisations sont intriqués même si les deux objets sont très éloignés l’un de l’autre se comportent comme un système unique. Pour faire simple les résultats de la mesure de ces deux particules sont corrélés. C’est ce qu’on appelle l’inséparabilité quantique.

Pourtant, en 1935 l’intrication a nourri une opposition entre les théories classiques et quantiques notamment entre Einstein et l’école de Copenhague, physiciens qui établirent le formalisme quantique dont faisait partie Niels Bohr.

Si Einstein ne remet plus en cause les lois mathématiques de la théorie quantique il juge son formalisme incomplet. En effet Einstein va étudier avec deux autres collègues le comportement de deux particules dites intriqués ou états EPR pour (Einstein, Podolsky, Rosen).

Einstein avance que si les deux particules sont très éloignées au moment de la mesure, le résultat de la mesure sur l’un ne saurait déterminer le résultat de la mesure de l’autre car cette corrélation devrait se propager plus vite que la vitesse de la lumière ce qui contredit le principe de relativité restreinte. La solution serait donc d’attribuer une propriété à chaque particule telle qu’une polarisation dès l’émission : ainsi les mesures seraient bien corrélées. Cette propriété c’est l’hypothèse de localité.

Or, le formalisme quantique tel qu’il a été établi ne prédéterminent en rien une telle caractéristique pour les particules d’une paire intriquée. Bohr réfute Einstein en expliquant que cela n’a aucun sens de prendre en considération une caractéristique individuelle pour une paire de particules intriquée.

Bell au secours de Bohr :

En 1964, le physicien du CERN à Genève John Bell prouve que la localité mise en avant par Einstein est incompatible avec le formalisme quantique. Son théorème explicite que des paramètres supplémentaires ou variables cachées telles que la localité vérifie certaines inégalités or les corrélations prévues par la mécanique quantique violent ces inégalités et que donc l’intrication quantique ne peut se comprendre à l’aide de concepts classiques. 

Depuis 1982, plusieurs expériences montrent des résultats qui viennent corroborer les arguments de Bohr et Bell notamment le grand chercheur français Alain Aspect à l’institut d’optique d’Orsay qui a pu tester l’intrication tout en intégrant le principe de localité d’Einstein. En intégrant dans son expérience la localité A.Aspect démontre par l’expérience que si les inégalités de Bell sont violées : le modèle classique et relativiste d’Einstein est incompatible avec l’intrication quantique et que Bohr avait raison.

Or, toutes les expériences plus ou moins récentes démontrent la violation des inégalités de Bell.

Pour illustrer ce propos je vous propose la vidéo d’une interview réalisée par mon collègue vulgarisateur David Louapre sur sa chaîne « Science Etonnante » que je vous recommande fortement. Attention ses vidéos sont géniales.

Vidéo sur la chaîne de Science Etonnante, chaîne indispensable à tout amateur de vulgarisation scientifique.
Vidéo surement plus intelligible et plus complète de David qui parle de l’intrication

Pour finir, je suis heureux de vous dire qu’Alain Aspect a obtenu le prix Nobel de physique bien après que j’ai écrit cet article pour ses travaux qui ont révolutionné la cryptographie quantique. J’ai eu la main heureuse en étant gamin dans mon édition française de Scientific American : Pour la Science consacré à la lumière. (HS numéro 53)