L'atome de cuivre ( 4 questions amateurs)

[docEmmettBrown]

bonjour,

voila je me documente le plus possible et j'ai 4 questions auxquelles j'ai du mal a avoir une réponse, d'ou ma présence ici :

*l'atome de cuivre est un bon conducteur car :
Sur la couche de valence d'un atome de cuivre il n' a qu'un seul électron qui est sans cesse éjecté. Quand il est éjecté, l'atome de cuivre devient un cation et donc il attire un autre électron qui sera tres vite éjecté, voila pourquoi il est conducteur car son électron sur sa dernière couche passe dans la bande de conduction à la moindre petite energie ou force recu ?


*quand l'électron est éjecté, selon l'énergie qu'il possede il va se mettre sur une certaine couche d'un autre atome, mais si il se met sur la premiere couche ou il y a déja 2 électrons alors que se passe t'il car sur la premiere couche il ne peut y avoir plus de 2 électrons.

*l'effet Joule:
quand l'électron est éjecté il va "atterrir" sur un autre atome de cuivre et il va se placer sur une couche selon son énergie, on se placant sur cette couche il s'arrete brusquement et transmet donc son energie cinetique faisant deplacer plus vite l'atome de cuivre d'ou l'augmentation de chaleur ?

*pourquoi un file de cuivre est solide?
j'ai du mal à comprendre la structure des atomes de cuivre pour former un solide, ce sont des liaisons covalentes ou ioniques ?

merci beaucoup de votre aide car ca fait 4 grosses questions
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[Sethy]

Il est très difficile de partir de tes questions, tant elles sont éloignées de la manière dont on décrit habituellement ces phénomènes.

Je ne peux te renvoyer qu'à deux notions, incontournables :

- la liaison métallique, avec ici une page wiki qui en parle, je cite "on peut voir les électrons libres comme des électrons délocalisés à toute la pièce métallique" https://fr.wikipedia.org/wiki/Liaison_métallique . SI tu connais la théorie de la corde vibrante (avec les noeuds et les ventres), on assimile parfois une pièce de métal à ce genre de modèle. Les électrons occupent successivement les différents niveaux d'énergie offert par les modes de vibrations.

- cette page renvoi à la théorie des bandes, qui décrit ce qui se passe d'un point de vue quantique : https://fr.wikipedia.org/wiki/Théorie_des_bandes

Tous le reste, ne fera que t'éloigner de ce qu'est un matériaux conducteur, semi-conducteur ou isolant.

[ecolami]

La page wikipédia sur la liaison métallique n'indique pas le nombre d'électrons fourni par chaque atome. En chimie on sait que de nombreux métaux ont le plus souvent plusieurs états d'oxydation: ils peuvent donc céder un nombre variable d'électrons. Alors peut-on établir une analogie avec leur forme métallique? Apparemment non, a moins de considérer que les différentes formes cristallines soient le résultat d'un degré d'ionisation.

[ecolami]

Pour répondre un peu aux questions posées ce que tu as envisagé ne correspond pas à la réalité. Le métal est caractérisé par un ensemble de noyaux atomiques ionisé (positivement) entourés d'un ensemble d'électrons provenant de tous les noyaux. La circulation du courant se fait par le passage des électrons entre les noyaux ionisés, un peu comme un liquide qui traverserai un filtre (formé par les noyaux ionisé).
L'effet joule est explicable aussi par une analogie avec les fluides. (enfin c'est sans doute plus complexe..)

[A voir en vidéo sur Futura]

[Sethy]

Parler d'étage d'oxydation dans le cas d'un métal (sous forme métallique me parait osé). J'ai fait une rapide recherche sur le web, mais je ne sais pas si mon raisonnement est correct, bien que mes calculs corroborent ce que je trouve.

L'énergie de première ionisation du Cuivre est de 7 eV (électron-volt), la seconde est de 20 eV. L'énergie associé à l'agitation thermique, est en comparaison, à température ambiante de 0,025 eV (source : https://en.wikipedia.org/wiki/Electronvolt).

Je pense que ces différentes échelles d'énergie parlent d'elles-mêmes et qu'il est difficile d'imaginer une ionisation multiple dans les conditions ambiantes.

[ecolami]

Votre calcul est intéressant. Mais comment expliquer l'existence dans les conditions ambiantes de solutions (aqueuses) d'ions métallique avec des degrés d'oxydation supérieurs a 1, les exemples sont trés nombreux, certains métaux pouvant avoir un état d'oxydation jusqu'à 7! Alors je sais que le contexte est différent.
J'ai posé sur le forum de physique une question relative a ce sujet.

[mach3]

Votre calcul est intéressant. Mais comment expliquer l'existence dans les conditions ambiantes de solutions (aqueuses) d'ions métallique avec des degrés d'oxydation supérieurs a 1

il suffit simplement qu'il y ait une autre espèce chimique en face avec une bonne affinité électronique, c'est ce qu'on appelle un oxydant. Pour parler de manière impropre (mais ça aide à comprendre) il suffit que le niveau d'énergie sur lequel va atterrir l'électron dans l'espèce oxydante (et qui est du coup réduite) soit plus bas que le niveau d'énergie qu'occupait cet électron dans l'espèce réductrice (qui est donc oxydée). Une telle réaction est une réaction d'oxydo-réduction (redox). On parle d'ailleurs de potentiel redox en Volt pour caractériser le pouvoir oxydant ou réducteur. Il suffit que la différence de potentiel soit dans le bon sens pour que les électrons sautent du réducteur sur l'oxydant spontanément. On peut tirer parti de cela et produire un courant électrique grâce à un montage adéquat qui s'appelle... une pile électrique. L'oxydant et le réducteur étant dans deux compartiments séparés l'un de l'autre, les électrons, pour "sauter" du réducteur sur l'oxydant sont contraints de passer par un conducteur reliant les deux compartiments.
On peut d'ailleurs inverser les choses un imposant une différence de potentiel inverse, ça s'appelle l'électrolyse.

m@ch3

[ecolami]

Je vous remercie pour ces explications. Je suis chimiste. Les mécanismes redox permettent d'expliquer la formation des ions et leur changement d'état d'oxydation. Une fois la réaction terminée il est possible de purifier les composés et d'obtenir chacun isolément. Le plus souvent on constate qu'ils sont stables en solution (en l'absence de réducteur ou oxydant suivant les cas: le permanganate K en solution est stable et pourtant le Manganèse est sous forme Mn VII).
Je sais que ce qui est expliqué pour les mécanismes redox ou pour la liaison métallique sont différents: dans une liaison métallique il y a un équilibre électrique entre les électrons du nuage électronique et les noyaux ionisé. A priori rien n'interdit que cet equilibre soit obtenu par la cession de plusieurs électrons par noyau atomique. Naturellement il suffit d'un électron par noyau pour former un métal et avoir les propriétes caractéristiques.

[mach3]

Je vous remercie pour ces explications. Je suis chimiste.

Ah... mince... du coup vous connaissiez peut-être parfaitement ce que je viens d'expliquer... j'espère que vous n'avez pas eu l'impression que je vous prenais pour un c..n au moins, j'en serais désolé.

dans une liaison métallique il y a un équilibre électrique entre les électrons du nuage électronique et les noyaux ionisé. A priori rien n'interdit que cet equilibre soit obtenu par la cession de plusieurs électrons par noyau atomique. Naturellement il suffit d'un électron par noyau pour former un métal et avoir les propriétes caractéristiques.

tout cela a été décrit par plusieurs modèles successifs, le plus abouti étant la théorie des bandes, déjà citée par Sethy. On traite un peu les matériaux comme une molécule géante. Dans une molécules n orbitales atomiques se combinent pour former n nouvelles orbitales moléculaires, dans les matériaux les orbitales se recouvrent sur l'ensemble du réseau cristallin, formant un très grand nombre de niveau d'énergies répartis dans le diagramme d'énergie en zones où ils sont très serrés (bandes électroniques) parfois séparés les unes des autres par des zones ne contenant aucun niveau (bandes interdites). Dans les bandes électroniques l'écart d'énergie entre deux niveau tend vers zéro avec le nombre d'atomes impliqué (donc avec la taille du matériau) et devient très rapidement inférieur à l'énergie thermique : macroscopiquement on considère, contrairement au cas d'un atome avec ses états discontinus, que dans une bande un électron peut occuper des états d'énergie continus.
L'arrangement des bandes dépend de l'empilement cristallin, il y a tout un truc avec les zones de Brillouin, les taux d'occupations dépendent de la température, une bande qui n'est pas pleine peut conduire le courant (donc dépendance entre resistance et température fonction de l'arrangement des bandes -> conducteur/semi-conducteur/isolant), etc, mais j'ai étudié cela il y a 10 ans donc je ne serais guère capable de vous en dire beaucoup plus.

m@ch3

[moco]

Les développements de Sethy, Ecolami et Mach 3 sont surtout en relation avec la première question posée par notre premier quémandeur. Je vais essayer de m'attaquer aux autres questions de notre quémandeur DocEmmetBrown.

Dans sa 2ème question, il demande ce qui arrive quand un électron éjecté d'un atome A tombe sur la 1ère couche (K) d'un atome B. Cette question n'a pas de sens, parce que l'électron ne peut tout simplement pas tomber sur cette couche K, vu qu'elle est complète.

Dans sa 3ème question, il demande l'origine microscopique de l'effet Joule. Son interprétation ne me paraît pas trop mauvaise, quoique ce soit difficile de passer d'un phénomène macroscopique comme le dégagement de chaleur à un effet microscopique comme le mouvement des électrons. Il y a un transfert d'énergie cinétique entre électron et noyau, qui n'est pas évident. Pourquoi ce transfert est-il si peu important dans les bons conducteurs comme le cuivre ?

La 4ème question est la plus intéressante de toutes. On peut la réécrire ainsi : Pourquoi un métal est-il solide ? En effet, on peut concevoir un métal comme formé d'un assemblage de cations baignant dans un nuage électronique. Mais si on se satisfait de cette description imagée, rien ne semble relier les cations entre eux. Un tel métal devrait avoir la structure d'un liquide. Pour que le métal soit un solide, il faut que les orbitales intérieures de deux atomes voisins interfèrent. Et ce n'est pas évident à envisager.

[Sethy]

les zones de Brillouin
m@ch3

J'avais adoré ce cours à l'époque. BTW, ce brave monsieur et une brochette d'autres est présent sur une photo du congrès Solvay de 1927 :

http://www.sciencesetavenir.fr/decry...jamais-vu.html

Et si vous en redemandez, voici un extrait d'un documentaire tourné à l'époque. On y voit quelques célébrités dans les quartiers du cinquantenaire, du palais royal et de la grand'place de Bruxelles.

https://www.youtube.com/watch?v=8GZdZUouzBY

[mach3]

Dans sa 2ème question, il demande ce qui arrive quand un électron éjecté d'un atome A tombe sur la 1ère couche (K) d'un atome B. Cette question n'a pas de sens, parce que l'électron ne peut tout simplement pas tomber sur cette couche K, vu qu'elle est complète.

pour aller plus loin, on peut ajouter que dans un matériau, les couches K, L etc n'existent plus. Ces couches sont caractéristiques de l'atome libre. Les orbitales se combinent à l'échelle du matériau. De manière effective les électrons sont alors des ondes stationnaires sur l'ensemble du réseau, au lieu d'être des ondes stationnaires autour d'un seul noyau, avec des noeuds à égale distance les uns des autres dans une ou plusieurs directions de l'espace (des directions privilégiées dictées par la symétrie du réseau cristallin). Les niveaux d'énergies les plus bas, qui ne possèdent pas ou peu de noeuds sont discontinus (de façon brouillonne la fréquence de l'onde, donc l'énergie est proportionnelle à k+1 avec k le nombre de noeud) mais on a vite une continuité des niveaux quand le nombre de noeud devient colossal (k+1 et k+2 sont peu différents quand k est très très grand).

Dans sa 3ème question, il demande l'origine microscopique de l'effet Joule. Son interprétation ne me paraît pas trop mauvaise, quoique ce soit difficile de passer d'un phénomène macroscopique comme le dégagement de chaleur à un effet microscopique comme le mouvement des électrons. Il y a un transfert d'énergie cinétique entre électron et noyau, qui n'est pas évident. Pourquoi ce transfert est-il si peu important dans les bons conducteurs comme le cuivre ?

L'explication classique consiste effectivement à dire que les électrons libres, en traversant le métal, heurtent de temps en temps des atomes du réseau et leur transmette du coup de l'énergie cinétique. Globalement donc le flux d'électron dépose de l'énergie dans le matériau qui chauffe donc.
L'explication plus complexe fait intervenir les vibrations du réseau cristallin. On considère tous les modes de vibration possible du solide, encore des ondes stationnaires qui dépendent de la symétrie du réseau cristallin, mais ce sont des ondes de pression et de cisaillement cette fois, des ondes mécaniques. Tout cela est donc quantifié, et à l'instar du photon pour expliquer le comportement d'un rayonnement enfermé dans une enceinte (corps noir) on appelle ses modes de vibration des "phonons". Contrairement au photon le phonon n'est pas une vrai particule, mais peut être modélisé comme tel : l'effet Joule s'explique par l'interaction entre les ondes électroniques et les ondes mécanique du réseau, elles échangent de l'énergie et cela se modélise en considérant une collision entre un électron et un phonon.

La 4ème question est la plus intéressante de toutes. On peut la réécrire ainsi : Pourquoi un métal est-il solide ? En effet, on peut concevoir un métal comme formé d'un assemblage de cations baignant dans un nuage électronique. Mais si on se satisfait de cette description imagée, rien ne semble relier les cations entre eux. Un tel métal devrait avoir la structure d'un liquide. Pour que le métal soit un solide, il faut que les orbitales intérieures de deux atomes voisins interfèrent. Et ce n'est pas évident à envisager.

L'interaction entre les orbitales intérieures expliquent les hautes température de fusion de certains métaux comme le tungstène par exemple, mais n'explique pas pourquoi les métaux peuvent être solides en toute généralité. Par exemple pour le lithium ou le sodium il n'y a guère de possibilités de ce genre, leurs orbitales internes sont pleines.
En fait la question est plus générale car elle se pose pour tous les assemblages d'entités neutres, sans moment dipolaire significatifs et sans possibilité de liaison covalentes ou ioniques entre elles (hélium, diazote, tétrachlorocarbone, benzène, paraffine, métaux etc...). La forme du potentiel en fonction de la distance (de plus en plus attractif puis répulsif quand la distance diminue) entre deux entités explique très bien le fait qu'en dessous d'une certaine température ces corps puissent être liquides, mais ne suffit pas à comprendre qu'ils puissent former un réseau cristallin solide.
Cela est possible par l'économie que permet un tel réseau : dans un réseau cristallin les distances et le nombre de voisins sont optimisés vis-à-vis d'un liquide (la fameuse conjecture de Kepler sur les empilements de fruit dans les étalages). Dès que l'agitation thermique est suffisamment faible ces structures optimisées peuvent apparaitre spontanément car de l'énergie est libérée. De même, quand la pression augmente, l'économie de volume que présente généralement (il y a des cas pathologiques, la glace I par exemple) une structure cristalline face à un liquide (ou à un gaz) favorise sa formation

m@ch3

[ecolami]

Merci pour vos explications beaucoup plus détaillées fournies dans cette discussion
Je n'avais pas précisé que j'étais chimiste et j'ai bien pris les explications de Mach3.