Acquis d'apprentissage

Maitriser les notions essentielles de mécanique quantique utilisées en chimie

Résolution de l'équation de Schrödinger pour des systèmes chimiques simples (atomes hydrogénoïdes, liaison chimique, systèmes conjugués π en méthode de Hückel) et interprétation des résultats.

Comprendre l'origine quantique de concepts chimiques (liaison chimique, aromaticité, ...) et faire le lien avec les quantités qui peuvent être expérimentalement mesurées (longueurs de liaison, longueurs d'onde d'absorption, énergies d'ionisation, ...)

Objectifs

Donner une première introduction à la chimie quantique et, en particulier, à la théorie des orbitales.

Contenu

Après avoir rappelé les principes fondamentaux de la mécanique quantique, on décrit la structure électronique de l'atome d'hydrogène, des atomes légers, de la molécule d'hydrogène et des molécules diatomiques. A cette occasion, sont introduites deux notions essentielles de la chimie quantique : la théorie des orbitales et l'approximation LCAO. Le cours aborde ensuite le traitement de la structure électronique des molécules insaturées par la méthode de Hückel.

Table des matières 1. Origines de la mécanique quantique 2. Principes de mécanique quantique - Dynamique des systèmes atomiques et moléculaires (microscopiques): A) Les postulats de la mécanique quantique. B) Particule dans une boîte 3. L'atome d'hydrogène et les hydrogénoïdes: A) Equations radiale et angulaire. B) Interprétation des fonctions d'onde hydrogénoïdes. 4. L'atome d'He et les atomes à plusieurs électrons : du modèle indépendant à une méthode approchée. 5. La théorie des orbitales moléculaires - la liaison chimique. A) H2+ et l'approximation LCAO. B) Les molécules diatomiques. 6. Les molécules insaturées - la méthode de Hückel: A) Principes de la méthode de la méthode de Hückel. B) Molécules simples.

Table des matières

Table des matières

1. Origines de la mécanique quantique

1.A. Les limites de la physique classique

1.B. La dualité onde-particule

2. Principes de mécanique quantique - Dynamique des systèmes atomiques et moléculaires (microscopiques)

2.A. Les postulats de la mécanique quantique

2.B. L'équation de Schrödinger

2.C. Particule dans une boîte

2.D. Le principe d'incertitude de Heisenberg

3. L'atome d'hydrogène et les hydrogénoïdes

3.A. Séparation de l'équation de Schrödinger en équations radiale et angulaire

3.B. L'équation angulaire

3.C. L'équation radiale

3.D. Interprétation des fonctions d'onde hydrogénoïdes

4. L'atome d'He et les atomes à plusieurs électrons : du modèle indépendant à une solution approchée

4.A. Le modèle indépendant ou l'approximation des orbitales

4.B. Le principe d'exclusion de Pauli

4.C. L'atome d'He

5. La théorie des orbitales moléculaires - la liaison chimique

5.A. La molécule de H2+ et l'approximation LCAO

5.B. Les molécules diatomiques

6. Les molécules insaturées - la méthode de Hückel

6.A. Principes de la méhode de Hückel

6.B. Molécules simples

6.C. Energie de stabilisation aromatique

 

Exercices

Les TD consistent à illustrer le cours par des exemples appropriés. Par ailleurs, les exercices permettront de détailler les transformations mathématiques les plus importantes de l'exposé.

Méthodes d'enseignement

Les principaux concepts sont présentés au tableau et illustrés par des applications pratiques en relation avec les données expérimentales.

Méthode d'évaluation

L'examen consiste en la préparation écrite de 3-4 questions suivie d'une présentation et discussion orales

 

Sources, références et supports éventuels

Atkins' Physical Chemistry, P. Atkins et J. de Paula, Oxford University Press, Oxford, 2006, 8ème édition.

D.A. McQuarrie et J.D. Simon, Physical Chemistry - A Molecular Approach (University Science Books, Sausalito, California), 1997.

C. Cohen-Tannoudji, B. Diu et F. Lalöe, Mécanique Quantique, Tome I, Hermann, Paris, 1977.

E. Heilbronner and H. Bock, The HMO-Model and its Applications 1. Basis and Manipulation, English translation, Wiley-Interscience, New York, 1976. E. Heilbronner and H. Bock, The HMO-Model and its Applications 3. Tables of Hückel Molecular Orbitals, English translation, Wiley-Interscience, New York, 1976. 

A.A. Lucas, Scribbles that changed the course of human affairs, Académie royale de Belgique, Louvain-la-Neuve, 2004.

 

Langue d'instruction

Formation Programme d’études Bloc Crédits Obligatoire
Bachelier en sciences chimiques Standard 0 3
Bachelier en sciences chimiques Standard 2 3