La découverte de l'électron et ses conséquences
En 1887, Svante Arrhenius (1859 - 1927) établit sa thèse sur les ions qui est juste acceptée. C'est A. Lapworth qui introduit les ions en chimie organique avec le mécanisme de formation des cyanhydrines (1903).
1) Développement de la règle de l'octet
Dimitri Ivanovitch Mendeleïev (1834 - 1907), en 1871, démontre une périodicité de 7 dans la valence.
George Johnstone Stoney (1826 - 1911) propose le terme d'électron en 1891.
En 1897, Joseph John Thomson (1856 - 1940) met en évidence l'électron et en 1898, suite à la découverte des gaz rares, on s'aperçoit que la périodicité de la valence est de 8 et non de 7.
Thomson arrive à déterminer la charge de l'électron en 1904. L'atome n'est plus une entité insécable !
En 1907, il propose un modèle où un électron est entouré de charges plus diffuses. A partir de ce modèle, il conclut que :
- L'atome a une structure telle qu'il a une couche électronique externe.
- La valence chimique dépend de la couche électronique externe.
- La périodicité des propriétés chimiques implique une répétition périodique de la nature de la couche électronique externe.
- La stabilité des gaz rares est due au caractère saturé de leur couche électronique externe et la valence des autres éléments est reliée à la différence entre leur configuration électronique externe et celle des gaz rares (8 électrons).
Walther Kossel (1888 - 1956), en 1916, montre que des éléments peuvent atteindre la configuration électronique des gaz rares par transfert d'électrons :
- Na ® Na+ (même configuration que le néon)
- Cl ® Cl- (même configuration que l'argon)
Gilbert Newton Lewis (1875 - 1946), en 1916, pense qu'une liaison covalente consiste en la mise en commun de deux électrons. La notion de doublet d'électron apparaît.
Irving Langmuir (1881 - 1957) défend alors la théorie de Lewis et la popularise. Il propose les termes d'octet, de doublet et de covalence.
Cependant, Arthur Amos Noyes (1866 - 1936) met en doute cette théorie :
- MeI + AgNO3 ® MeNO3
- NH4I + AgNO3® NH4NO3
- NaI + AgNO3 ® NaNO3
MeI est non polaire alors que NH4I et NaI sont polaires. Pourtant, ils présentent la même réactivité !
En 1926, Paul Adrien Maurice Dirac (1902 - 1984) et Worner Karl Heisenberg (1901 - 1976) montrent que ces interactions résultent d'un effet d'échange électronique. Walter Heitler (1904 - 1981) et Fritz Wolfgang London (1900 - 1954) montrent l'année suivante que l'on peut rendre compte de la stabilité d'un doublet d'électrons, relativement contesté jusqu'alors, en faisant intervenir la résonance entre les orbitales atomiques. En 1928, London généralise sa théorie aux liaisons non polaires.
2) Décomposition de l'atome
Grâce aux travaux de Thomson on sait désormait que l'atome n'est plus une entité insécable.
En 1919, Lord Ernest Rutherford (1871 - 1937) découvre le proton par l'étude de H+.
Lors d'une conférence, les Joliot-Curie exposent leurs travaux en cours et notament qu'ils ont découvert une particule étrange qu'ils n'arrivent pas à analyser. Sir James Chadwick (1891 - 1974) est fort intéressé et, de retour dans son laboratoire, étudie ce phénomène. Il isole ainsi le neutron en 1932.
3) L’effet photoélectrique et la dualité onde-corpuscule
En 1880, on remarque que lorsque la lumière tombe sur un métal, des particules sont émise, ce phénomène est appelé effet photoélectrique. Cet effet est instantanné, avec une longueur d’onde maximale qui dépend de la nature du métal.
En 1897, Thomson découvre l’électron et on en déduit que c’est cette entité qui est émise sans toutefois pouvoir expliquer les propriétés observés.
En 1905, Albert Einstein (1879 - 1955) trouve que la matière est corpusculaire. il invente le photon et relie sa longueur d’onde à son énergie. Ainsi, c’est le photon qui éjecte l’électron. La longueur d’onde maximale dépend de l’énergie nécessaire à éjecter cet électron, donc de la nature du métal. Einstein estime la masse du photon par la relation : E=mc2=hc/l car aucune expérience n’a permis de la déterminer.
En 1924, De Broglie explique lors de sa thèse la relation masse « longueur d’onde exprimé par Einstein est applicable à toute particule. N’ayant que peu d’arguments (et pas d’expérience) à exposer, son juri n’est pas convaincu et il n’obtient son doctorat que grâce à ses titres.
En 1927, Schrodinger trouve que l’électron, qui est une particule, peut également être une onde : c’est la dualité onde-corpuscule.
4) Le modèle du gaz d’électrons libres
Drude étudie les propriétés des métaux. Il pose en 1900 son modèle du gaz d’électrons libres qui obtient un grand succès car il permet de comprendre certaines propriétés inexpliquées des métaux (conductivité électrique et thermique, réflection de la lumière).
En 1905, Einstein prouve l’existence du noyau. Cela amène un problème avec le gaz d’électron libre car dans ce modèle, les électrons peuvent parcourir une très grande distance sans rien heurter. Il est inconcevable qu’un nombre très grand d’électrons en mouvement dans un très petit volume contenant beaucoup de noyaux puisse circuler librement sans percuter ni un autre électron, ni un noyau.
En 1915, Einstein explique que la lumière, reconnu comme étant une onde, est également constitué de particules. Debroglie en conclu en 1923 que l’électron, qui est une particule, peut également être une onde.
En 1926, le théorème de Block explique pourquoi les électrons se propage sans rencontrer de noyau et en 1928 la statistique de Fermi-Dirac permet d’expliquer les défaults de ce modèle et Sommerfield tente de les corriger. Ce modèle est toujours utiliser de nos jours et est conu sous le nom de modèle de Drude - Sommerfield.
5) La mésomérie
Robert Robinson (1886 - 1975) pense que les valences partielles de F. K. Johannes Thiele (1865 - 1818) sont produites par rupture partielle de liaison. La conjugaison conduit à un transfert de valence partielle, ce qui explique l'action à distance d'un sel :
Le doublet peut être mobile, cette mobilité est facilitée par la présence d'autres doublets. On obtient donc des zones de concentration d'électrons.
Le phénomène de résonance rejoint celui de mésomérie.