Introduction à la chimie quantique appliquée

Les bases de l'atomistiques

a marqué ce sujet comme résolu.

Salut Blackline, voici comme promis quelques retours, sur la partie électron et intro générale. J’attends que la suite soit complétée pour la lire. Je confesse ne pas avoir lu tous les commentaires. Si je commente des points auxquels tu as déjà répondu, renvoies moi dessus. :)

Intro générale

des liaisons

liaisons électroniques, je suppose (en plus, ça permet de parler d’électron dès le premier paragraphe)

Personnellement, Blackline, je vois la chimie quantique comme un outil intrinsèque pour comprendre les réactions de chimie organique.

Pourquoi « organique » en particulier ? Tu reviendras dessus par la suite ?

Pour la chimie quantique c’est un peu comme un zoom sur les électrons, ces électrons une fois en interaction au sein d’atome, ou au sein d’édifices plus grands comme les molécules, ils vont avoir un comportement très complexe et c’est au chimiste théoricien de s’y intéresser.

La phrase est tournée bizarrement. Je propose « La chimie quantique c’est un peu comme un zoom sur les électrons. Ces électrons, une fois en interaction au sein d’atome ou au sein d’édifices plus grands comme les molécules, vont avoir un comportement très complexe et c’est au chimiste théoricien de s’y intéresser. »

Mais les particules élémentaire ont un trait particulier qui les mettent hors de notre portée. C’est la dualité onde-corpuscule qui va nous empêcher de vraiment saisir la nature de ces particules.

Ma vision de la physique quantique me fait dire que la nature d’un électron est justement dual. Le problème, ce n’est pas que ce sont des objets hors de notre portée, c’est que ce ne sont pas des particules, justement.

L’idée dans ce tutoriel est de donné des pistes, voire des clés de compréhension pour observer comment, arrivons à travailler avec ces notions qui semblent souvent invraisemblables.

Je suppose que la bonne phrase est « L’idée dans ce tutoriel est de donner des pistes, voire des clés de compréhension, pour observer comment nous arrivons à travailler avec ces notions qui semblent souvent invraisemblables. » Même dans ce cas, observer comment on arrive à travailler, ça fait beaucoup de verbes à la suite.

Ortho :

vont-être -> vont être

esquive -> esquivent

au sein d’atome -> au sein d’atomes (édifices est au pluriel derrière)

leurs comportement -> leur comportement (ou leurs comportements)

les particules élémentaire -> les particules élémentaires

qui les mettent -> qui les met

est de donné -> est de donner

niveaux discret -> niveaux discrets

sont organiser -> sont organisés

Intro (L’électron)

C’est un peu le cœur de la physique quantique en fait : Que sont réellement les particules élémentaires et que savons-nous d’elles ? Dans les sphères d’études de la physique quantique on s’organise autour des particules élémentaire et de leurs comportements. L’idée est d’au moins pouvoir constater son comportement sans pouvoir voir ce que représente l’objet, .

Pas que « élémentaire ». On peut s’intéresser aux neutrons ou aux protons, par exemple. Sinon, dès qu’on fait de la physique quantique sur des objets un peu complexe, c’est la notion même d’objet composant qu’il faut oublier. Tu as un nuage d’électron ; c’est ÇA, ton objet, pas les électrons individuels eux-mêmes.

KLM…

Dans ce cas la lune sera accélérée autour de son orbite et commencerait à être attiré par la terre. Dans le modèle de Bohr, les orbites sont stationnaire et aucune énergie ne serait perdue en suivant cette trajectoire précise. Alors qu’en électromagnétisme classique un cas similaire obligerais l’électron à émettre de l’énergie. En fait l’électron ne peut pas être traité comme un objet classique "mais en plus petit".

Je sais parfaitement l’idée que tu veux faire passer, mais je trouve ce passage peu clair. Il faudrait que je retrouve comment on me l’avait présenté. Rien que l’idée que tout corps chargé en mouvement accéléré dans un référentiel galiléen émet de l’énergie n’est pas forcément intuitive (j’ai vu ça proprement… lorsqu’un prof nous a prouvé pourquoi le modèle de Bohr était insuffisant).

Densité de probabilité

Bien préciser dans la légende de la 1ère image à quoi correspond un « point ».

Forcément en recherchant dans tout l’espace connu et imaginable, on doit bien trouver au moins l’électron qu’on cherche. S’il était possible de minutieusement chercher à chaque portions de l’univers.

Pas « au moins ». Dans ce contexte, c’est un et un seul.

Pour ceux qui se demande pourquoi on se borne entre [0;+∞], c’est parce qu’une mesure de longueur négative n’a pas vraiment de sens en 3 dimensions.

C’est tout simplement qu’on intègre sur une sphère de centre le noyau et de rayon r. Le rayon ne peut pas être négatif. Si on avait intégré sur un cube dx dy dz, on intégrerait sur [-∞;+∞]3.

C’est en imaginant le rayon maximum tendant vers +∞ que l’on peut comprendre que l’on va prendre un volume supérieur à celui de la terre, du système solaire, plus grand que tout… Connaissant la taille d’un atome, effectivement si on achète l’univers entier, on y trouvera au moins 1 électron. Mais c’est une méthode démesurée :-° …

J’aime pas trop la formulation. On ne cherche pas un électron, mais l'électron, en considérant le système parfaitement seul dans l’univers. Et la probabilité que notre électron soit loin du noyau est faible. Et au-delà, il n’y a rien. Si on considère d’autres électrons, ton intégrale ne fera pas 1 (elle compte le nombre d’électron).

spdf

Les différentes Harmoniques Sphériques

Cette partie est mal organisée. On a la définition à la fin, les images au début. C’est peut-être parce que je ne suis pas chimiste, mais le tout est vraiment confus ici (mais je n’ai plus vu les spdf depuis le lycée), et j’ai bien du mal à suivre.

Règles de Klechkowsky

2 électrons maximum dans une orbitale

Ce n’était pas explicite avant.

Bon, j’ai raccroché avec les exemples dans la suite.

Spin

(Image) Vecteur borné sur un axe.

Je crains que ça ne laisse penser qu’un spin, selon comment il est projeté, puisse valoir moins qu’un demi (puisqu’on passe continument d’une borne à l’autre).

Zoom sur les nombres quantiques

Dans tes exemples, lorsqu’un seul spin est pris, ce peut être +1/2 ou -1/2. Comme tous tes exemples sont en +, ça laisse penser que ce n’est pas le cas.

Ortho : j’ai pas fait. ^^

Yop. J’attends que la suite soit écrite pour m’y atteler. À très vite. ;)

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Déjà, merci pour ce retour très complet ! Je suis content d’avoir ta relecture. N’hésite pas à aller plus loin. La partie qui n’est pas retravaillée est la suivante (Autour de l’hydrogène), avant ça, tout à été relu et j’ai un soucis pour conclure sur l'ionisation de l’aluminium, je veux bien un coups de main calculatoire. :)

Pourquoi « organique » en particulier ? Tu reviendras dessus par la suite ?

Oui oui, sur la méthode d’Huckel on a quand même une partie sur l’aromaticité. Et sur ma toute dernière section, c’est l’application de la chimie quantique à la chimie organique avancée :)

Ma vision de la physique quantique me fait dire que la nature d’un électron est justement dual. Le problème, ce n’est pas que ce sont des objets hors de notre portée, c’est que ce ne sont pas des particules, justement.

Totalement dual, mais j’ai fais une petite erreur, je voulais terminer sur "particules élémentaires".

Cette partie est mal organisée. On a la définition à la fin, les images au début. C’est peut-être parce que je ne suis pas chimiste, mais le tout est vraiment confus ici (mais je n’ai plus vu les spdf depuis le lycée), et j’ai bien du mal à suivre.

C’était souhaitez initialement, car j’ai peur en étant trop formel de court-circuiter le pragmatisme que j’essaye d’obtenir chez le lecteur. L’idée est de déconstruire l’idée d’orbital et de montrer ce qu’il y a de plus visuel en premier. Un approche plus proche de la déduction, comment fonctionne les entités est une finalité, d’abord nous les avons observés.

Je crains que ça ne laisse penser qu’un spin, selon comment il est projeté, puisse valoir moins qu’un demi (puisqu’on passe continument d’une borne à l’autre).

Bah j’essaye justement, à l’inverse, de montrer comment on contraint le vecteur "schématiquement", j’explicite même en disant :

Mais en réalité la norme ne varie pas

Tu penses qu’un gif de deux images, up vs down, suffirait a clarifier le propos ou éviter les confusions ?

Dans tes exemples, lorsqu’un seul spin est pris, ce peut être +1/2 ou -1/2. Comme tous tes exemples sont en +, ça laisse penser que ce n’est pas le cas.

Ne maximisons nous pas toujours le spin lorsqu’on a le choix ?

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C’était souhaitez initialement, car j’ai peur en étant trop formel de court-circuiter le pragmatisme que j’essaye d’obtenir chez le lecteur. L’idée est de déconstruire l’idée d’orbital et de montrer ce qu’il y a de plus visuel en premier. Un approche plus proche de la déduction, comment fonctionne les entités est une finalité, d’abord nous les avons observés.

Je vois l’idée. Il faudrait un autre avis (quelqu’un en licence de chimie, typiquement). Je rappel que je ne suis pas chimiste et que je suis un théoricien, donc ce genre de passage et d’écriture est ardu pour moi.

Tu penses qu’un gif de deux images, up vs down, suffirait a clarifier le propos ou éviter les confusions ?

Oui, par exemple. Tant que la norme vaut toujours 1/2, ça me va. :P

Ne maximisons nous pas toujours le spin lorsqu’on a le choix ?

Je ne crois pas. S’il y a un spin +, l’autre ne peut être que - (et réciproquement), mis s’il n’y a qu’un seul électron, il a une chance de 2 de valoir + et autant de valoir -. Sa fonction d’onde est un tout bête 12∣+>+12∣−>.\frac{1}{\sqrt{2}}\left|+\right> + \frac{1}{\sqrt{2}}\left|-\right>. Qu’est-ce qui pousserai le spin à être positif ?

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Je vois l’idée. Il faudrait un autre avis (quelqu’un en licence de chimie, typiquement). Je rappel que je ne suis pas chimiste et que je suis un théoricien, donc ce genre de passage et d’écriture est ardu pour moi.

Bah j’vais avoir la relecture de personne ayant le niveau Bac et d’autre de licence pour peaufiner ça. C’est prévu !

Oui, par exemple. Tant que la norme vaut toujours 1/2, ça me va. :P

J’vais faire ça alors :)

Je ne crois pas. S’il y a un spin +, l’autre ne peut être que - (et réciproquement), mis s’il n’y a qu’un seul électron, il a une chance de 2 de valoir + et autant de valoir -. Sa fonction d’onde est un tout bête 12∣+>+12∣−>.\frac{1}{\sqrt{2}}\left|+\right> + \frac{1}{\sqrt{2}}\left|-\right>. Qu’est-ce qui pousserai le spin à être positif ?

Gabbro

Alors, j’dis ça a cause des règles de Hund1 :

Pour une configuration électronique donnée, le terme de plus faible énergie est celui maximisant le spin total ( S{\displaystyle S\,}), ainsi que la multiplicité qui égale 2S+1{\displaystyle 2S+1\,}.

Cela fonctionne pour des états degenerés notamment, où il n’y a pas juste le premier choix '+1' ou '-1' Mais les choix suivants, où le cas 1 est privilégié :

Etats degenerées

OM1OM_1

OM2OM_2

Cas 1

↑\uparrow

↑\uparrow

Cas 2

↑\uparrow

↓\downarrow

Cas 3

↓\downarrow

↑\uparrow

Cas 4

↓\downarrow

↓\downarrow

  1. Règles de Hund

    ↩
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Je ne connaissais pas la règle de Hund. Comme ça me paraissait bizarre avec l’expérience de Stern et Gerlach, j’ai pris le temps de fouiller. Ce cours dit

Règle de Hund : pour une sous-couche donnée, la configuration électronique de plus basse énergie est obtenue en plaçant un maximum d’électrons de même spin (même valeur de ms) dans des orbitales différentes (cf Principe d’exclusion de Pauli), avant d’apparier des électrons de spins opposés (valeurs de ms opposées).

La page wikipédia sur la règle de Klechkowsi dit :

Plus exactement, la première règle de Hund indique que le terme spectroscopique d’énergie la plus faible est celui dont la multiplicité de spin 2S + 1 est la plus élevée

La multiplicité étant la même que l’on aligne des - ou des +, ce qui compte étant le fait d’aligner des spins identiques ou différents. J’ai l’impression qu’on met des + parce que dans le contexte de la chimie, que ce soit des + ou des -, ça n’a pas d’importance, et qu’il y a donc un raccourci multiplicité <-> spin total (en valeur absolu).

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Oui j’avais bien en tête que c’était juste un formalisme et qu’en réalité on peut faire l’un ou l’autre. Je ne sais pas trop comment l’introduire sans trop en faire/dire. Je pense que je peux y réserver un bout dans la question des diagrammes d’orbitales moléculaires. Qu’en penses-tu ?

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En pratique, tu dis déjà partout que le spin est +/- 1/2. Il n’y a que dans la partie Zoom sur les nombres quantiques et Introduction (règle de Klechkowsky) que tu poses un + dominant sur le -. Je pense qu’une simple phrase en dessous disant qu’on peut de manière équivalente transformer tous les - en + et tous les + en - et que ça marche aussi suffit (mais que par convention, on met +, parce que ça n’a pas d’importance particulière). Le truc qui me gêne, c’est de dire que la solution à 1 électron est de spin +1/2.

Sinon, mettre [H] : [1, 0, 0, +/- 1/2] marcherait aussi.

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Introduction

Mais les particules élémentaire ont un trait particulier qui les mettent hors de notre portée. C’est la dualité onde-corpuscule qui va nous empêcher de vraiment saisir la nature de ces particules. L’idée dans ce tutoriel est de donné des pistes, voire des clés de compréhension pour observer comment, arrivons à travailler avec ces notions qui semblent souvent invraisemblables.

Deux remarques:

  • Pour moi, ça fait un peu "Ta gueule c’est magique". C’est une version plus faible du "Personne ne comprend la mécanique quantique" et je ne crois pas que ce soit une bonne chose de continuer à diffuser ce message.
  • Dans le paragraphe d’avant tu as déjà dit que tu te focalises sur les électrons, et là tu parles à nouveaux de toutes les particules. Je pense que c’est mieux d’éviter les aller-retours.

Proposition :

Mais les électrons — comme toutes les particules élémentaires — ont un trait particulier qu’on retrouve peu à l’échelle macroscopique1 : la dualité onde-corpuscule. Elle nous empêche bien souvent de raisonner par analogie avec la mécanique classique — sans prendre de grandes précautions. L’idée dans ce tutoriel est de donner des pistes, voir des clés de compréhension, pour essayer de saisir comment travailler avec ces notions avec plus de sérénité.

L’électron

C’est un peu le cœur de la physique quantique en fait : Que sont réellement les particules élémentaires et que savons-nous d’elles ? Dans les sphères d’études de la physique quantique on s’organise autour des particules élémentaire et de leurs comportements. L’idée est d’au moins pouvoir constater son comportement sans pouvoir voir ce que représente l’objet.

J’essaierai d’être plus prudent dans le message que tu veux transmettre :

  • Définir le cœur physique quantique comme étant l’étude des particules élémentaires, c’est très personnel comme avis.
  • Si je fais une image au SEM ou au STM, je suis en train de voir les molécules et atomes ou de constater les interactions électrons-matières ou l’effet tunnel (respectivement)? Savoir ce qu’est la réalité et le rôle de la physique (et la science de manière plus générale) vis-à-vis d’elle, c’est plus un sujet épistémique AMA.

Proposition :

La mécanique quantique a permis un nouveau regard sur la matière et les différentes interactions jusqu’à donner le modèle standard qui inclut le modèle de l’atome et prédit de nouvelles particules. Les particules élémentaires sont les objets de base de ce modèle et continuent aujourd’hui d’être recherchées et étudiées.

KLM

Souvent il nous ait expliqué que les électrons peuvent graviter, au sens propre du terme, autour du noyau. Et ainsi les électrons peuvent former un nuage organisé. Les phénomènes observés ne penchent pas vers cette théorie, comme souvent en science un modèle est créer puis rectifié. Il est à noter que :

Je garderais ça pour juste après l’explication, je trouve plus naturel d’avoir la conclusion après l’explication et non avant.

Dans ce cas la lune sera accélérée autour de son orbite et commencerait à être attiré par la terre. Dans le modèle de Bohr, les orbites sont stationnaire et aucune énergie ne serait perdue en suivant cette trajectoire précise. Alors qu’en électromagnétisme classique un cas similaire obligerais l’électron à émettre de l’énergie. En fait l’électron ne peut pas être traité comme un objet classique "mais en plus petit".

Je trouve ton explication confuse; tu présentes le modèle de Bohr comme une réplique de la gravitation. AMA tu dois vraiment insister sur la différence entre les deux situations qui conduit le système solaire à être stable2 et le modèle de Bohr à ne pas l’être (tu le dis, ce que j’ai souligné en gras, mais sans insister dessus).

Proposition :

L’interaction Coulombienne entre le noyau et l’électron joue le rôle de la gravitation, c’est elle qui permet le mouvement orbital du modèle de Bohr : cette force n’implique aucune perte d’énergie lors de la révolution autour de l’atome. Cependant, et contrairement à la Lune avec la gravitation, une particule chargée qui accélère émet un rayonnement — formule de Larmor : c’est une perte d’énergie. Au final notre électron perd de l’énergie jusqu’à s’effondrer sur le noyau.

Densité de probabilité

Ce que l’on observe réellement, lorsque l’on essaye de mesurer la présence d’un électron, c’est un nuage. C’est à dire un volume occupé par une certaine densité sans réel frontière. A partir de là, le formalisme précédent ne tiens déjà plus la route ;) . Lorsque nous essayons de capter un électron dans un de ces nuages, voilà ce qu’on observe après plusieurs cliché :

Tu as déjà montré avant pourquoi le modèle de Bohr ne convient pas, tu n’as pas besoin d’invoquer l’observation3. Par contre tu pourrais expliquer ce que tu entends par observations/clichés en l’illustrant avec le modèle de Bohr (pour voir une orbite) puis ensuite dire ce qu’on attend avec le modèle quantique.

Proposition :

Illustrons le concept important de densité de probabilité. Abandonnant pour le moment la question du mouvement de l’électron, à la place on va se demander où il se trouve avec une expérience de pensée. L’on prend un atome d’Hydrogène — un proton et un électron — et à un certain moment (aléatoire) on fige le temps et on regarde où est l’électron par rapport au proton. Puis on recommence avec un nouvel atome — dans le même état initial — un grand nombre de fois.

La partie gauche de la figure xx montre ce que le cas du modèle de Bohr. On voit se dessiner l’orbite, on n’a cependant pas d’information sur la dynamique, uniquement une information topologique. Cette information c’est la densité de probabilité. La partie droite illustre l’atome d’Hydrogène avec un formalisme quantique.

Règles de Klechkowsky

Je me suis posé une question en lisant, les électrons des couches pxp_x et pyp_y sont discernables entre eux ou pas ?

Sinon je m’attends quand même à une remarque sur l’indiscernabilité quelque part. Là, j’ai l’impression que tu remplis les niveaux d’énergie comme si les particules étaient discernables.

Couche 3d3d et 4s4s, le schmilblick

A partir de ce moment tu commences à dire que le remplissage est quelque-chose de physique, i.e. on part de NN protons et on vient rajouter les électrons un à un. Mais j’ai vraiment pas l’impression que c’était ce que tu décrivais avant. J’avais plus l’impression que tu décrivais comment les NN protons et électrons s’organisaient pour minimiser l’énergie, sans considérations d’une dynamique pour arriver à cet état (et ça me semble être la bonne approche), i.e. quelles couches sont occupées pour minimiser l’énergie.

J’ai vraiment le sentiment que ce paragraphe va parler à ceux qui savent déjà ce que tu veux dire, mais pas vraiment aux autres.

Spectroscopie

Les électrons sont dépendants ou indépendants ? Energie d’ionisation

Energie des électrons indépendants

Nomme explicitement la constante de Rydberg (tu peux même donner la formule).

  1. Il faut des systèmes macroscopiques isolés de toutes interactions avec l’environnement, ce qui n’est pas le cas le plus commun à cette échelle.

    ↩

  2. Je ne sais pas exactement à quel point il l’est, mais ce n’est pas la question.

    ↩

  3. Surtout que c’est historiquement faux à ma connaissance, on n’a pas attendu d’observer des nuages électroniques pour rejeter le modèle de Bohr.

    ↩
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