TD n 21 - Tableau périodique des éléments

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1 TD n 21 - Tableau périodique des éléments Exercice 1 : Caractéristique d un atome Soit l ion carbone 12 6 C+. 1 Préciser son nombre d électrons, de protons et de neutrons. 2 Donner sa configuration électronique. 3 On admet que le noyau a un rayon obéissant à la loi empirique : R = 2A 1 3 (en fermis). Sa masse est m = 1, kg. Calculer son rayon, sa masse volumique et sa densité, puis sa charge volumique (ou densité volumique de charge). 3) R = 3, m ; µ = 1, kg.m 3 ; d = 1, ; ρ = 6, C.m 3. Exercice 2 : Propriétés chimiques du calcium Le calcium Ca a pour numéro atomique Z = 20 1 Donner la configuration électronique du calcium à l état fondamental, puis déterminer la position de cet élément dans le tableau périodique. À quelle famille d éléments appartient le calcium? Le calcium est-il un métal ou un non-métal? 2 Expliquer pourquoi on rencontre fréquemment le calcium au degré d oxydation +II, et jamais à un degré d oxydation supérieur. 3 Écrire la réaction chimique du calcium avec l eau. Préciser quelle espèce joue le rôle d oxydant et le rôle de réducteur. 4 Quelle est la formule prévisible de l oxyde de calcium obtenu par réaction du calcium avec le dioxygène? Écrire l équation chimique, et préciser quelle espèce chimique joue le rôle d oxydant et le rôle de réducteur. 5 En déduire pourquoi le calcium ne se rencontre pas à l état de corps simple dans la nature. 1) [Ar]4s 2 ; 3) Ca (s) + 2 H 2 O (l) Ca 2+ aq + 2 HO aq + H 2(g) ; 4) Ca (s) + 1O 2 2(g) CaO (s). Exercice 3 : Ionisation 1 Indiquer dans quel groupe se trouvent les éléments de la seconde et troisième périodes de la classification périodique qui donnent le plus facilement des ions M Déterminer, à l aide des énergies de première ionisation E i1 les éléments susceptibles d être ionisés par le rayonnement visible, dont la longueur d onde est comprise entre 0, 4 et 0, 7µm.

2 3 Déterminer la quantité d énergie nécessaire, en électron-volt et en Joule, pour obtenir l ion N 3+, sachant que les énergies d ionisation de l azote sont E i1 = 15, 54eV, E i2 = 24, 39eV et E i3 = 47, 26eV. 4 Choisir, en justifiant la réponse, l espèce qui a l énergie de première ionisation la plus grande 4.1 B ou C 4.2 N ou P 4.3 F ou Na 4.4 Al ou Al K + ou Ca N ou O. 3) E i1+2+3 = 87, 19eV = 1, J Exercice 4 : Électronégativité Soit la molécule Br Cl 1 Calculer l électronégativité de Mulliken de ces deux éléments. Lequel est le plus électronégatif? 2 Calculer l électronégativité de Pauling du chlore. 3 Calculer la différence d électronégativité de Pauling entre le fluor et le chlore. Ce résultat est-il en accord avec la les valeurs suivantes, dans l échelle de Pauling : χ P (F) = 4, 0 et χ P (Cl) = 3, 1. Données : Cl : E i1 = 1251 kj.mol 1, E a1 = 348, 8 kj.mol 1 Br : E i1 = 1140 kj.mol 1, E a1 = 324, 6 kj.mol 1 D H2 = 432 kj.mol 1, D Cl2 = 240 kj.mol 1, D HCl = 428 kj.mol 1, D F2 = 155 kj.mol 1, D FCl = 249 kj.mol 1. 26/30 29 mars 2016

3 1) χ M (Br) = 2, 41, χ M (Cl) = 2, 63 ; 2) χ P (Cl) = 3, 2 ; 3) χ P (F) = 3, 96. Exercice 5 : Autour de l oxygène et du soufre (banque PT 2014) 1 Écrire la configuration électronique à l état fondamental de l oxygène Z = 8 et de celle du soufre Z = 16. En déduire la position de chacun de ces éléments dans la classification périodique (numéro de ligne ; numéro de colonne). Exercice 6 : Généralités sur la molécule de monoxyde de carbone (banque PT 2013) La molécule de monoxyde de carbone est constituée d un atome d oxygène (Z = 8) et d un atome de carbone (Z = 6). 1 Donner la configuration électronique de l atome d oxygène puis de l atome de carbone dans leur état fondamental. 2 Indiquer le nom des règles utiles à l établissement de ces configurations électroniques. 3 Expliquer pourquoi le carbone est tétravalent. 4 Quels sont les deux isotopes du carbone les plus répandus sur Terre? Écrire leur représentation symbolique. 5 Où se situe l oxygène dans la classification périodique (ligne, colonne)? 6 Citer un élément situé dans la même colonne que l oxygène. 7 Proposer une représentation possible de Lewis pour la molécule de monoxyde de carbone. 8 Comment évolue l électronégativité d un élément au sein d une ligne du tableau périodique? 9 La formule de Lewis proposée par vos soins est-elle alors en accord avec les électronégativités du carbone et de l oxygène? Exercice 7 : Autour du lithium (Mines-Ponts MP 2015) 27/30 29 mars 2016

4 Pour s entraîner seul(e) Tableau périodique des éléments Questions de cours 1 Décrire le tableau périodique. 2 Définir l énergie de première ionisation. Comment évolue-t-elle dans le tableau périodique? Que dire des énergies d ionisations successives? 3 Définir l énergie de première attachement. Comment évolue-t-elle dans le tableau périodique? Que dire de second attachement? 4 Expliquer ce qu est l électronégativité. Comment évolue-t-elle dans le tableau périodique? Donner la définition de Mulliken. 5 Comment évolue les caractères réducteur et oxydant dans le tableau périodique? 6 Comment évolue le caractère acide et basique des oxydes dans le tableau périodique? 7 Comment évolue le caractère métallique dans le tableau périodique? 8 Présenter les propriétés physiques et chimiques des alcalins. 9 Présenter les propriétés physiques et chimiques des halogènes. 10 Présenter les propriétés physiques et chimiques des gaz nobles. 11 Présenter les propriétés physiques et chimiques des métaux de transition. Exercice 8 : Élément fer (banque PT 2011) Un des isotopes de l élément fer a pour représentation : Fe 1 Donner la signification de chacun des nombres accolés ci-dessus au symbole Fe, pour cet isotope. 2 Indiquer la configuration électronique de l atome de fer à l état fondamental. On indiquera quelles sont les règles classiques suivies pour effectuer cette détermination. 3 Indiquer le nombre et la localisation des électrons de valence et préciser les configurations électroniques des ions ferreux et ferrique. 4 A quel groupe appartient le fer? Pourquoi? 5 La masse atomique exacte du fer est de 55, 847 g.mol 1. Expliquer. Exercice 9 : Le calcium (banque PT 2009) 1 Le calcium a pour numéro atomique Z = 20. Quelle est sa configuration électronique à l état fondamental? Sous quelle forme ionique le rencontre-t-on habituellement?a quelle famille appartient-il? 2 Donner les numéros atomiques des trois éléments voisins de la même colonne, des deux lignes précédentes et de la ligne suivante de la classification périodique des éléments, en justifiant les règles utilisées en 3-4 lignes maximum.

5 Exercice 10 : Électronégativité de Mulliken 1 Rappeler la définition de Mulliken de l électronégativité. Comment évolue-t-elle dans la classification? 2 Déterminer à une constante multiplicative près l électronégativité de C, N, O et F selon la définition de Mulliken. 3 Soit la molécule Br-Cl. Quel est l atome le plus électronégatif? Données : Element chimique C N O F Energie d ionisation (kj.mol 1 ) Affinité électronique (kj.mol 1 ) ) χ M (C) = 1208 k < χ M (N) = 1395 k < χ M (O) = 1455 k < χ M (F) = 1208 k. Exercice 11 : Chimie du brome Le brome possède pour numéro atomique Z = Situer le brome dans la classification. 2 Prévoir, d après la famille chimique à laquelle il appartient, son caractère essentiel et écrire son action sur l iodure de potassium aqueux, le sodium et le fer. 3 Citer un test de l ion bromure Br. 3) Précipité blanc-jaune AgBr en présence d argent. Exercice 12 : Isotopie Les éléments carbone et oxygène existent sous forme de différents isotopes. On rappelle Z(C) = 6 et Z(O) = 8. 1 Préciser ce terme. 2 Citer deux isotopes du carbone. Donner la structure du noyau dans chaque cas. 3 L oxygène existe essentiellement sous deux formes isotopiques 16 O et 18 O dont les masses molaires sont respectivement M 16 = 15, 9949g.mol 1 et M 18 = 17, 9922g.mol 1. Sachant que la masse molaire de l oxygène naturel est M = 15, 9989g.mol 1, estimer les proportions des deux isotopes. 3) x 18 = 0, 2002 % Exercice 13 : Étude d oxydes On considère les oxydes de quatre éléments appartenant à la quatrième période : l oxyde de dipotassium K 2 O, l oxyde de calcium CaO, l oxyde de zinc ZnO et le dioxyde de sélénium SeO 2. 1 Rechercher les éléments K, Ca, Zn et Se dans le tableau périodique. À quels blocs appartiennent-il? 29/30 29 mars 2016

6 2 Écrire les équations des réactions de formations de ces oxydes à partir des corps simples correspondants. 3 Les oxydes de dipotassium, de calcium ainsi que le dioxyde de sélénium sont solubles dans l eau. Ces oxydes sont respectivement basiques pour les deux premiers et acide pour le dernier. 3.1 Ces résultats sont-ils en accord avec la position de ces éléments dans la classification? 3.2 Écrire les réactions des réactions de ces oxydes avec l eau. 4 L oxyde de zinc n est pas soluble dans l eau. Cependant il est soluble dans une solution d acide chlorhydrique (avec formation de l ion zinc (II) Zn 2+ ) et aussi dans une solution d hydroxyde de sodium (avec formation d ion tétrahydroxydezincate Zn(OH) 2 4. On dit pour cela que c est un oxyde amphotère. 4.1 Rappeler ce qu est un amphotère. 4.2 Écrire les équations de ces réactions de dissolution de l oxyde de zinc dans les solutions d acide chlorhydrique et d hydroxyde de sodium. 2 K (s) O 2(g) K 2 O (s), K 2 O (s) + H 2 O (l) 2 Na + aq + 2 HO aq ; Ca (s) O 2(g) CaO (s), CaO (s) + H 2 O (l) Ca 2+ aq + 2 HO aq ; Zn (s) O 2(g) ZnO (s), ZnO (s) + 2 HO aq + H 2 O (l) Al(OH) 2 4aq, ZnO (s) + 2 H 3O + aq Zn 2+ aq + 2 H 2 O (l) ; Se (s) + O 2(g) SeO 2(s), SeO 2(s) + 2 H 2 O (l) HSeO 3aq + H 3 O + aq ; 30/30 29 mars 2016

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