Chimie DS 01 Atomes et molécules - 1 / 7 29 septembre 2018

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Roland St-Pierre
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1 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 1 / 7 29 septembre 2018 I ) Les rayons X [BAC S 2016] 1. Reproduire sur votre copie le diagramme d énergie du molybdène, et y représenter par des flèches toutes les transitions électroniques de l atome pouvant s accompagner de l émission d un rayonnement. (2) Solution: Le diagramme d énergie est : Il y a trois transitions possibles (ne pas oublier celle du niveau E 1 vers le niveau E 0 ). 2. Déterminer les longueurs d onde des radiations émises correspondant à ces transitions. (3) Solution: On utilise la relation E = h c pour déterminer les différentes longueurs λ d onde. On a ainsi : la transition du niveau E 2 vers le niveau E 1 : λ 2,1 = h.c = 6, = 570 pm. E 2 E , la transition du niveau E 2 vers le niveau E 0 : λ 2,0 = h.c = 6, = 63 pm. E 2 E , la transition du niveau E 1 vers le niveau E 0 : λ 1,0 = h.c = 6, = 71 pm. E 1 E ,

2 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 2 / 7 29 septembre Préciser les domaines du spectre électromagnétique correspondant à ces transitions. (1) Solution: Les longueurs d onde correspondent à l UV et au visible. II ) Autour de l hydrogène [CCP DEUG 2005] 4. Situer l atome d hydrogène dans la classification périodique des éléments. Préciser les particules présentes dans l atome d hydrogène. (2) Solution: L atome d hydrogène appartient à la première ligne et à la première colonne de la classification périodique. Il comporte un proton et un électron. 5. On veut étudier le spectre d émission de l atome d hydrogène. Quelle source lumineuse faut-il utiliser pour étudier un tel spectre? Justifier le fait que le spectre d émission de l atome d hydrogène est formé de raies et non d un continuum lumineux. (2) Solution: On utilise une lampe à hydrogène pour l étudier. Les niveaux d énergie étant quantifiés, on observe des raies lumineuses. 6. L énergie de l atome d hydrogène est donné par la relation : E n = 13, 6 (en ev). n 2 Comment s appelle le nombre n et quelles valeurs peut-il prendre? (2) Solution: Le nombre n est le nombre quantique principal. naturel non nul. Il s agit d un entier 7. Calculer, en kj/mol, l énergie d ionisation de l atome d hydrogène. (2) Solution: L énergie d ionisation EI correspond à la transition entre le niveau E 1 et le niveau à O ev. On a donc : EI = 13, 6 ev. La conversion en joules donne : EI = 2, J. La conversion en kj/mol donne : EI = 1312 kj/mol. 8. Le spectre d émission de l atome d hydrogène présente quatre raies dans le visible : c est la série de Balmer. Il s agit d une série de raies spectrales correspondant à une transition électronique d un état quantique de nombre principal n > 2 vers l état de niveau 2. Calculer, en nm, les quatres longueurs d ondes correspondantes : λ 3,2, λ 4,2, λ 5,2 et λ 6,2. (4)

3 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 3 / 7 29 septembre 2018 Solution: On commence par calculer les différents niveaux d énergie à l aide de la relation E n = 13, 6 n 2 : n E n (ev) 3, 4 1, 51 0, 85 0, E n (J) 5, , , , , On calcule ensuite les différentes longueurs d onde à l aide de la relation E = h.c λ : Transition E (J) 3, , , , λ (nm) III ) Autour du chlore [Petites Mines 2009] 9. Que représente le numéro atomique d un élément chimique? (1) Solution: Le numéro atomique correspond au nombre de protons d un élément. 10. Quelle est la configuration électronique du chlore dans son état fondamental? Dans quelle colonne de la classification périodique se situe le chlore? Comment se nomme les éléments de cette colonne? (3) Solution: La configuration électronique du chlore est : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5. Le chlore appartient à la colonne 17 : celle des halogènes. 11. Le chlore a une masse atomique molaire moyenne d environ 35,5 g/mol. Il est essentiellement composé des isotopes 35 et 37. Déterminer la proportion molaire de chaque isotope. (2) Solution: La masse molaire moyenne du chlore s écrit : M = A 1.M 1 + A 2.M 2, où A i est l abondance de l isotope i et M i est sa masse molaire. Etant donné que la somme des abondances vaut 1, on a la relation suivante : A 1 + A 2 = 1.

4 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 4 / 7 29 septembre 2018 On peut donc déterminer les abondances : M = A 1.M 1 + (1 A 1 ).M 2 = A 1 (M 1 M 2 ) + M 2, donc A 1 = M M 2 M 1 M 2 = 35, = 0, 75 et A 2 = 0, 25. IV ) Le mercure [CCP PC 2010 Chimie 1] 12. Ecrire la configuration électronique de l atome de mercure, 80 Hg, dans son état fondamental. En déduire que le nombre d électrons de valence du mercure. (3) Solution: La configuration électronique de l atome de mercure est : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 2 4f 14. Le mercure a donc deux électrons de valence dans l orbitale 6s. 13. Ecrire la configuration électronique des cations Hg + et Hg 2+ dans leur état fondamental. Solution: Les configurations électroniques des ions sont : Hg + : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 1 4f 14, Hg 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 0 4f 14. V ) Le calcium [Petites Mines 2010] 14. Donner les configurations électroniques, dans leur état fondamental, de l atome de calcium Ca et de l ion calcium Ca 2+ auquel il peut mener. (2) Solution: Les configurations électroniques sont : Ca : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2, Ca 2+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s Dans quelle colonne de la classification périodique se trouve l élément calcium? Quel nom portent les éléments de cette famille chimique? (2)

5 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 5 / 7 29 septembre 2018 Solution: L élément calcium se trouve dans la deuxième colonne de la classification périodique : celle des alcalino-terreux. 16. Quelle est la nature (acide, neutre ou basique) de la solution finale? Justifier votre réponse. (1) Solution: La solution finale est basique. 17. Montrer que la transformation étudiée est une réaction d oxydo-réduction en écrivant les demi-équations électroniques, puis l équation de la réaction globale. (3) Solution: Les demi-équations sont : Ca = Ca e et 2 H e = H 2. L équation globale est donc : Ca + 2 H + = Ca 2+ + H 2. Le squelette d un homme adulte a une masse moyenne m = 12, 0 kg. Les os sont constitués par de l eau (50% en masse), des composés organiques (25% en masse) et des composés minéraux (25% en masse). En première approximation, on peut admettre que le phosphate de calcium Ca 3 (PO 4 ) 2 est l unique composé minéral présent dans les os. 18. En négligeant toute présence de calcium hors des os, évaluer la masse m Ca totale de calcium présente chez un adulte. (3) Solution: La masse de phosphate de calcium est m 1 = 3 kg. La masse molaire du phosphate de calcium est : M 1 = 3.M(Ca) + 2.M(P ) + 8.M(O) = 310 g/mol. On en déduit la quantité de matière de phosphate de calcium : n 1 = m 1 M 1 = 9, 68 mol. La quantité de matière de calcium vaut donc : n Ca = 3.n 1 = 29, 0 mol. La masse de calcium est donc m Ca = n Ca.M Ca = 1, 161 kg.

6 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 6 / 7 29 septembre Bien que présentant un aspect fortement minéral, les os sont des tissus vivants. Le calcium du squelette est en renouvellement permanent, 20% de la masse totale de calcium se trouvant remplacée en environ une année (on considérera 360 jours). Sachant qu un litre de lait apporte 1110 mg de calcium, quel volume de lait devrait boire un adulte quotidiennement s il voulait couvrir complètement, avec ce seul aliment, ses besoins en calcium? (3) Solution: On doit remplacer, par année, m 2 = 232 g de calcium. Cela revient à remplacer m 3 = 0, 645 g de calcium par jour. Il faut donc boire le volume de lait 0, 645 suivant ; V = = 0, 58 L. 1, 11 VI ) La colonne 13 [Mines MP 2008] La colonne 13 du tableau périodique comporte, de haut en bas, les éléments suivants : le bore, B, dont le nom vient du borax connu depuis l antiquité ; l aluminium, Al, nom provenant de l alun, sulfate d aluminium et de potassium au goût amer, le gallium, Ga, de gallus, coq en latin du nom de son découvreur, Lecoq de Boisbaudran ; l indium, In, nommé d après les deux raies indigo de son spectre ; le thallium,tl, du grec jeune pousse, en raison de la couleur verte de certaines raies de son spectre. 20. Donner la structure électronique dans l état fondamental des atomes de bore, B, et de gallium, Ga. (2) Solution: Les structures électroniques sont : B : 1s 2 2s 2 2p 1, Ga : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p Pourquoi appartiennent-ils à la treizième colonne (ou groupe 13)? (1) Solution: Ils ont tous 1 électron de valence dans l orbitale np : ils appartiennent donc tous à la colonne On donne (cf fin de l énoncé), la longueur d onde de la raie la plus intense du spectre d émission des éléments de la colonne 13. Quels sont les éléments qui émettent dans le visible? (1)

7 Chimie DS 01 Atomes et molécules - 7 / 7 29 septembre 2018 Solution: Les éléments Ga et In émettent dans le visible. 23. Ecrire l équation de la réaction définissant la première ionisation d un élément. (1) Solution: La première ionisation correspond à l équation : X (g) = X + (g) + e. 24. Justifier la différence d énergie de première ionisation entre le bore et l aluminium. (1) Solution: Il est plus simple d arracher un électron de valence de type 3p à l aluminium qu un électron de valence de type 2p au bore. 25. Justifier l évolution du rayon atomique du gallium au thallium. (1) Solution: Le rayon atomique augmente de haut en bas dans la classification périodique.

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