L3 Chimie - contenu et parcours

(24 h cours / 30 h TD / 9H TP numériques / 18 h TP)
Responsable : Franck Jolibois (franck.jolibois@univ-tlse3.fr)

Objectifs : Les modèles et outils issus de la mécanique quantique et de la chimie théorique seront utilisés pour mieux comprendre la structure électronique des atomes et des molécules. La réactivité moléculaire ainsi que les bases des techniques de spectroscopie seront aussi abordées. On se proposera en particulier de faire un lien entre la signature spectrale d'une molécule et sa géométrie (symétrie).

Programme cours et TD

1) Introduction
    Spectre d'émission de l'atome d'hydrogène
    Loi de Ritz, condition de fréquence de Bohr.
2) Symétrie moléculaire
    Opérations et éléments de symétrie
    Groupes Ponctuels de Symétrie, Table des caractères, représentations irréductibles
    Représentations réductibles, construction et réduction d'une représentation
3) Mécanique quantique (Introduction)
    Inégalité d'Heisenberg ; fonction d'onde et équation de Schrödinger ;
    Correspondance classique - quantique: opérateurs et valeurs moyennes
    Moment angulaire, cinétique, magnétique; spin
    Les atomes hydrogénoïdes: Orbitales atomiques, opérateur hamiltonien, Résolution     (simplifiée) de l'équation de Schrödinger, énergie et fonction d'onde ; spin, termes     spectroscopiques et règles de sélection
    Les atomes polyélectroniques: Approximation orbitalaire, principe de Pauli et     configuration électronique ; effets d'écran ; couplage spin-orbite, termes     spectroscopiques, multiplicité de spin
4) Spectroscopie vibrationnelle
    Techniques expérimentales (absorption IR, diffusion Raman)
    Molécules polyatomiques: Modes normaux de vibration; règles de sélection : activité     Raman et Infrarouge, Interprétation spectrale
    Molécules diatomiques: Oscillateur harmonique - quantification de l'énergie de vibration
5) Théorie des orbitales moléculaires
    Théorie CLOA, recouvrement, OM liantes antiliantes, liaisons covalentes
    Molécules Conjuguées: Méthodes de Hückel, molécules aromatiques et antiaromatiques ; méthode de Hückel étendue (introduction)
    Détermination quantitative: approximation de Born-Oppenheimer, approximation     orbitalaire, états électroniques, équations séculaires
    Diagramme d'interactions des orbitales: méthode des orbitales de fragments
6) Spectroscopie électronique
    Technique expérimentale ;
    Etats électroniques et transitions entre états (pi-pi*, n-pi*,...),
    Règles de sélection, Intensité de transition
    Molécules organiques et chromophores
    Principe de Franck-Condon ;
7) Réactivité Chimique
    Réactivité chimique : réactions sous contrôle frontalier ou bien sous contrôle de charge, quelques applications de la théorie des orbitales frontières à la réactivité:
    Régiosélectivité, Stéréoselectivité
    Réactions péricycliques, cycloaddition n+m.

Programme TP numériques

(6*1h30)
1) Symétrie moléculaire : manipulation de modèles 3D et recherche des propriétés de symétrie
2) Atomistique : densité radiale et diagramme polaire des OA
3) Modélisation moléculaire : Hückel ; Hückel étendu : calcul et analyse d'OM pour la structure et la réactivité, diagrammes de corrélation des OM ; spectroscopie vibrationnelle, oscillateur harmonique, modes normaux de vibration et modèles du ressort

Programme TP

(5*3h30)
1) Spectre d'émission de l'hydrogène et du sodium
2) Spectroscopie UV et interprétation théorique à l'aide de la méthode de Hückel
3) Spectroscopie IR : influence de facteurs intra- et inter-moléculaires sur la fréquence de vibration du groupement CO
4) Spectroscopies IR et Raman de molécules symétriques et analyse par la théorie des groupes
5) Propriétés magnétiques, transitions électroniques de complexes organométalliques, analyse par la théorie des groupes

(20 h cours / 24 h TD / 24 h TP)
Responsable : Véronique Pimienta (pimienta@chimie.ups-tlse.fr)

Objectifs : Approfondir ces disciplines fondamentales afin d'appréhender la complexité des systèmes chimiques réels. En thermodynamique, le potentiel chimique à la base de la description de la transformation offre une approche générale en tenant compte de la non-idéalité des systèmes. En cinétique, l'extension à des systèmes multivariables  permet une approche dynamique pour laquelle la vitesse d'une réaction est la résultante d'un ensemble de processus couplés et simultanés.

1 -THERMODYNAMIQUE

(10 h cours / 12 h TD)
- Potentiel chimique d'un corps pur : le corps pur, applications aux gaz, idéalité et écart à l'idéalité.
- Mélanges et solutions : grandeurs molaires partielles, énergie de Gibbs de mélange, mélanges de gaz parfaits, mélanges de liquides et solutions (loi de Raoult, loi de Henry), solutions non idéales, propriétés colligatives.
-Transformations physiques des mélanges : diagrammes de phase des mélanges binaires, courbes d'analyse thermique, diagrammes liquide-vapeur, diagrammes solide-liquide.

2- CINETIQUE

(10 h cours / 12 h TD)
- Vitesse de la réaction chimique : vitesse d'un processus élémentaire, vitesse d'une réaction composée, nombre de variables indépendantes, stœchiométrie unique - stœchiométries multiples.
- Méthodes expérimentales : techniques d'acquisition des données temporelles, avancement en fonction d'une grandeur expérimentale, étude d'ordre (initial, courant) - loi de vitesse.
- Quelques schémas réactionnels : réactions parallèles, réactions réversibles, réaction autocatalytique, réactions successives : Approximation de l'Etat Quasi Stationnaire (AEQS) et Approximation de l'Equilibre Rapide (AER).
- Réactions complexes : réactions par stade, réactions en chaîne, chaînes droites : bilan majeur - bilan mineur - longueur de chaîne cinétique, chaînes ramifiées : réactions explosives.
- Initiation au traitement informatisé : simulation et optimisation numérique

3- TRAVAUX PRATIQUES

(6x4 = 24 h TP)
-Détermination expérimentale de volumes molaires partiels
-Détermination potentiométrique des constantes de formation successives par la méthode de Bjerrum
-Changement d'état liquide-vapeur : cas du corps pur et du mélange éthanol-eau.
-Cinétique autocatalytique : la réaction permanganate / acide oxalique en milieu sulfurique
-Etude cinétique de l'hydrolyse du chlorure de tertiobutyle

(8 h cours / 10 h TD / 9 h TP numériques)
Responsable : Romuald Poteau (romulald.poteau@irsamc.ups-tlse.fr)

Objectif : Cet enseignement est fortement couplé aux modules « atomistique, liaison chimique et bases pour les spectroscopies » et « thermodynamique et cinétique » du tronc commun. On analysera  une même réaction chimique sous l'angle microscopique (orbitales frontières) et macroscopique (cinétique).

Programme cours et TD

1) La structure et la réactivité des molécules sont gouvernées par leur structure électroni-que... etpar la symétrie
a) Structure électronique et propriétés géométriques des molécules (orbitales frontières :
géométrie la plus stable d'une molécule)
b) Réactivité chimique (réactions sous contrôle frontalier ou bien sous contrôle de charge,
quelques applications de la théorie des orbitales frontières à la réactivité, réactions
péricycliques)
2) Approche macroscopique
a) De la théorie des collisions à la théorie du complexe activé
b) Relation d'Eyring et profils réactionnels
 

Programme TP numériques

(2×1h30 & 3×2h)
-Modélisation moléculaire : méthode de Hückel ;
calcul et analyse d'OM pour la structure et la réactivité
-Réactions de type Diels-Alder : règle d'Alder
-Réactions chélétropiques
-Schéma réactionnels simples : simulation et optimisation
-Grandeurs d'activation et profil réactionnel

Responsable : Leena Jasani (leena.jasani@wanadoo.fr)

(24 h cours/TD)

-Chromatographies et Techniques spectroscopiques (14 h cours / 33 h TD / 20 h TP)
-Méthodes d'Analyse thermique et diffraction X (11 h cours / 13 h TD / 1 h TP)

Responsable: Heinz Gornitzka (heinz.gornitzka () lcc-toulouse.fr)

Objectif : Ce module permettra aux étudiants d'acquérir les notions essentielles des principales méthodes Physico-Chimiques utilisées pour l'analyse et la caractérisation de composés organiques ou inorganiques. Il constitue une ouverture sur la diversité des méthodes d'analyses existantes dans différents domaines de spécialité en chimie.
 

Programme

Proposer la méthode idoine de caractérisation ou d'analyse suivant la nature des molécules.
Utiliser en routine des appareils de spectroscopies (UV, IR, RMN).
Interpréter des spectres RMN 1H, 13C, COSY de petites molécules.
Savoir interpréter des spectres de masse en impact électronique ou ionisation chimique de petites molécules.
Appréhender le phénomène chromatographique.
Trouver la technique chromatographique la plus adaptée (CPG, CL d'adsorption, CL de partage) à une séparation de constituants selon leur nature chimique.
Déterminer les conditions expérimentales d'analyse thermique appropriées à une certaine problématique.
Proposer des interprétations des thermogrammes d'ATG et d'ATD.
Caractérisation  par diffraction des RX sur poudre: connaitre les  potentialités de cette méthode.
Identifier une phase cristalline à partir d'un diagramme de poudre.
 

Compétences visées

Proposer la méthode idoine de caractérisation ou d'analyse suivant la nature des molécules.
Utiliser en routine des appareils de spectroscopies (UV, IR, RMN).
Interpréter des spectres RMN 1H, 13C, COSY de petites molécules.
Savoir interpréter des spectres de masse en impact électronique ou ionisation chimique de petites molécules.
Appréhender le phénomène chromatographique.
Trouver la technique chromatographique la plus adaptée (CPG, CL d'adsorption, CL de partage) à une séparation de constituants selon leur nature chimique.
Déterminer les conditions expérimentales d'analyse thermique appropriées à une certaine problématique.
Proposer des interprétations des thermogrammes d'ATG et d'ATD.
Caractérisation  par diffraction des RX sur poudre: connaitre les  potentialités de cette méthode.
Identifier une phase cristalline à partir d'un diagramme de poudre.

Responsable : Corinne Bonnet (corinne.bonnet()univ-tlse3.fr)

(24 h cours/TD)

En partant d'exemples concrets (molécules ou synthèses), nous reviendrons sur des notions fondamentales afin de les approfondir. Les réactions choisies illustreront les additions électrophiles et nucléophiles, les substitutions nucléophiles et électrophiles et les éliminations.

I- Rappels

Compétences visées :
- Maîtriser les notions fondamentales et les utiliser pour une chimie organique raisonnée.
- Comprendre et savoir parler  « le langage de la chimie »

A partir d'exemples simples et aux vues des propriétés physiques et chimiques, nous définirons les 2 grandes classes présentes dans la classification périodique : métaux et non métaux. 4 grandes parties seront ainsi traitées :
 

Toutes ces différentes parties seront à chaque fois illustrées à partir d'exemples concrets présents dans notre environnement.

Ce module de chimie-physique macroscopique est complémentaire au module du tronc commun « Thermodynamique et Cinétique » (UE2). Il traite de l'écart à l'idéalité des mélanges et des solutions. Il introduit également les solutions ioniques ainsi que les équilibres électrochimiques.

1- Solutions - généralités

2- Solutions non-ioniques

3- Solutions ioniques

4- Equilibres électrochimiques

Définitions - Conventions : Electrochimie, Electrode, cellule galvanique, sens de réaction, f.e.m, potentiel d'électrode.
Loi de Nernst : f.e.m d'une cellule galvanique, potentiel d'électrode
Prévision des réactions
Applications : mesure pH - Dosages potentiométriques

Cryométrie - Détermination de grandeurs thermodynamiques par la mesure de fem
Pression osmotique - Electrolyte Fort / Electrolyte faible