U.E. LC 101 : Introduction à la Chimie. Durée de l'épreuve : 2 heures. Les exercices sont indépendants les uns des autres

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1 Univesité PieeetMaieCuie Session de janvie 2007 L1 Pacous MIME PCE BGPC U.E. LC 101 : Intoduction à la Chimie Duée de l'épeuve : 2 heues. Seules les calculatices de type "collège" (non pogammables et non gaphiques) sont autoisées. L'utilisation de documents est stictement intedite. Chaque étudiant potea impéativement son numéo d'anonymat su chaque copie et su chaque intecalaie et écia "Fin d épeuve" su la denièe page. Les execices sont indépendants les uns des autes CRRIGE 1 Stuctue moléculaie Modèle de LewisVSEPR (15 minutes) Donne la epésentation de Lewis des ions 3, 4 et 3, leu type VSEPR et pédie leu géométie moléculaie. Modèle de Lewis de 3, 4, 3 VSEPR 3, 4, 3

2 3 : AX 3 E, géométie tétaèdique, 4 : AX 4, géométie tétaèdique, 3 : AX 3, géométie plane, 2 Stuctues moléculaiesstééochimie (20 minutes) 21 Détemine, en explicitant vote aisonnement, la configuation absolue des acides aminés natuels suivants : C 2 C 2 C 2 2 C(C 3 ) 2 C 2 S 2 C 2 2 valine séine cystéine L ode de pioité pou les composés suivants est La valine : 2 > C 2 > C(C 3 ) 2 > la configuation absolue est S La séine : 2 > C 2 > C 2 > La configuation absolue est S La cystéine : 2 > C 2 S > C 2 La configuation absolue est R 22 La pénicillamine existe sous fome de deux énantiomèes. L énantiomèe de configuation S est un agent antiathitique tandis que l énantiomèe R est toxique. Repésente l énantiomèe S, en justifiant vote éponse.

3 C 3 3 C C C C 2 S 2 Repésentation de l énantiomèe en configuation S ( epésentation de Cam) C C 2 C(C 3 ) 2 S 23 Quelle est la elation d isoméie ente les composés 1 et 2? 3 et 4? 5 et 6? C 2 C 3 3 C C 2 C 3 B 1 2 C 3 B B B C 2 C B 3 4 B 1 2 énantiomèes 3 4 diastééoisomèes 5 6 isomèes de constitution (stuctuaux) 3 Foces intemoléculaiespopiétés physiques (5 minutes) asse pa tempéatue nomale d ébullition coissante et en justifiant vote éponse les séies suivantes : 1) popane, butane et pentane 2) popane, popan1ol 3) 1,2difluooethène Z et E 1) T e popane < T e butane< T e pentane augmentation des foces de London due à la taille ( polaisibilité des molécules) 2) T e popane < T e popan1ol augmentation de Te du fait de l existence de liaisons hydogène 3) T e E ( apolaie) < T e (polaie)

4 4 Stuctue de l état solide Cistaux ioniques (30 minutes) Le bomue de césium CsB cistallise dans le système cubique sous deux types stuctuaux : type Cs : la plus coute distance CsB vaut alos d 1 = 0,372 nm type a : la plus coute distance CsB vaut alos d 2 = 0,362 nm 41 Repésente les mailles élémentaies coespondant à chacun des deux types pécédents. Décie la position des anions et des cations et indique leu coodinence. Quel est le nombe de goupements fomulaies pa maille? Maille CsB de type Cs : Cs cente de la maille B sommets de la maille Coodinence : 88 Z=1 Maille CsB de type a : Cs B B : sommets et cente des faces Cs : cente de la maille et milieux des aêtes. Coodinence :66 Z=4 42 Retouve la elation ente le paamète de maille a et les ayons ioniques R et R des cations et anions, espectivement. Calcule a dans les deux cas. Maille CsB type Cs : a 3 =2( ) =2d 1 a= 0,429nm Maille CsB type a : a= 2( )=2d 2 a=0,724nm 43 Calcule la masse volumique de CsB pou les deux types stuctuaux. Maille CsB type Cs : 3 (80 133) x10 ρ= = 4480kg.m 3 ( 4,48 g.cm 3 ) ,023x10 a Maille CsB type a :

5 3 213x10 x4 6,02x10 x(0,724) x10 ρ= =3728 kg.m 3 (3,728 g.cm 3 ) 44 Le bomue de ubidium RbB peut passe d un type à l aute pa vaiation de pession. Compte tenu de la éponse à la question pécédente, quel est le type stuctual stable à haute pession? Le type stuctual stable à haute pession est celui coespondant à la masse volumique la plus impotante,soit le type CS 45 Le type stuctual obtenu pou RbB à pession odinaie estil en accod avec ce que l on pouait pédie à pati des valeus des ayons ioniques : R(Rb ) = 0,152 nm et R(B ) = 0,196 nm? Commente vote éponse. A pession odinaie on attend le type a, caactéisé pa un appot : 0,414< <0,732 o = 0,776 la valeu pédictive est en effet limitée( les atomes ne sont pas des sphèes dues effet de la covalence) 5 Stuctue électonique des atomes Specte d émission de l hydogène (25 minutes) 51 Rappele l expession de l énegie des niveaux électoniques de l atome d hydogène en fonction du nombe quantique n. Z ² E n = 13,6 ( en ev) pou, Z=1 n² 52 Repésente su un schéma, avec une échelle appoximative, les cinq pemies niveaux d énegie. E(eV) 0 n=5 n=4 n=3 n=2 13,6 n=1

6 13,6 n=1 E=13,6eV n=2 E= 4 13,6 n=3 E= 9 13, 6 n=4 E= 16 13, 6 n=5 E= Le specte d émission de l hydogène est souvent pésenté sous fome de séies de aies. A quoi coespond la séie de Balme? A quel domaine du specte électomagnétique appatientelle? La séie de Balme coespond au etou au niveau n=2. Elle appatient au domaine du visible 54 Une aute séie est caactéisée pa les valeus de nombe d onde (1/λ) suivant : 2468, 3809 et 4617 cm Rappele la elation ente l énegie d une tansition et la longueu d onde coespondante. En déduie la tansition de plus basse énegie? La tansition de plus basse énegie est celle coespondant à λ 1 = 2468cm Calcule la valeu en nm de la longueu d onde λ associée à cette tansition. A quel domaine du specte électomagnétique appatientelle? λ= 4052 nm elle appatient à l infaouge. 543 Pou une séie donnée, les aies d émission coespondent à des tansitions de difféents états électoniques excités ves un même état électonique final, caactéisé pa son nombe quantique n final. Détemine pou cette séie la valeu de n final, à pati de la tansition de plus basse énegie. (1 ev coespond à 8066 cm 1 ) hc 1 1 ΔE= = 13,6 ( ) λ 2 2 n exc n final 1 èe hypothèse n final =3 (on sait que n 3 ca la séie est dans l infaouge) ,6 ( ) x8066=5333cm donc l hypothèse n est pas valable 2 ème hypothèse n final = ,6 ( ) =2468 cm 1 l hypothèse est coecte Identifie pou les autes tansitions les états électoniques excités cm cm cm 1 6 Stuctue électonique des atomes Famille des alcalins (25 minutes) 61 Rappele les ègles qui pemettent d établi la configuation électonique d un élément dans son état fondamental. Pincipe d exclusion de Pauli Pincipe de l aufbau et ègle de Klechkovski Règle de undt 62 Quelles sont les configuations électoniques du lithium Li et de l ion Li, le numéo atomique de Li étant égal à 3? Li 1s 2 2s 1 Li 1s 2 2s 0

7 63 L énegie d un niveau électonique d un atome polyélectonique peut se mette sous la fome E n,l = 13,6 Z* 2 n,l /n 2 : l énegie est alos donnée en ev, Z* n,l est la chage effective, elle pend des valeus difféentes pou chacune des sous couches électoniques. L énegie électonique totale d un atome est alos la somme des énegies des difféents électons. 631 Expime l énegie électonique totale de Li et de Li. E (totale) (Li)= 2 xe( 1s) E(2s) E (totale) (Li ) = 2E(1s) 632 En déduie l expession de l énegie de pemièe ionisation du lithium. I= E (totale) (Li ) E (totale) (Li) = E(2s) 633 La valeu expéimentale de l énegie de pemièe ionisation de Li est de 5,4 ev. En déduie la valeu de Z* n,l pou l électon de valence du lithium. * 2 Z I=5,4 ev= 13,6 x 2s d où Z=1, Quelles sont les valeus des numéos atomiques des membes suivants de la famille des alcalins : a, K, Rb et Cs, classés ici selon les valeus coissantes de Z? Li a K Rb Cs Z=3 Z=11 Z=19 Z=37 Z=55 65 Les énegies de pemièe ionisation de a, K et Cs sont, dans le désode, de 4,341 3,894 et 5,138 ev. 651 Attibue à chaque élément la bonne valeu d énegie de pemièe ionisation. L énegie d ionisation diminue de haut en bas de la classification péiodique. Li a K Rb Cs Ei (ev): 5,4 5,138 4,341 3, Il manque dans la séie pécédente la valeu de l énegie d ionisation de Rb. Ente quelles valeus estelle située? 4,341 I Rb 3,894 ev 66 Les métaux, qu ils soient alcalins, alcalinoteeux ou de tansition sont utilisés dans les feux d atifice pou les couleus qu ils émettent à l état excité. Le sodium a est ainsi esponsable d une émission à 589 nm, le stontium S est caactéisé pa un specte d émission ente 635 et 690 nm, le baium Ba pa un specte d émission ente 505 et 535 nm, alos que la couleu bleue est appotée pa des composés du cuive, qui émettent généalement ente 420 et 460 nm. Quelles sont les couleus associées à a, Ba et S? Le sodium excité émet une adiation jaune (cf aie D du sodium) Le baium émet des adiations compises ente le bleu et le jaune donc vet Le stontium émet ente le jaune et le ouge dans l oange Données uméos atomiques Z() = 7 Z() = 8 Z() = 17 Masses molaies M(Cs) = 133 g mol 1 M(B) = 80 g mol 1 ombe d Avogado A = 6, mol 1 Constante de Planck h = 6, J s Vitesse de la lumièe dans le vide c = 3, m s 1 Rydbeg Ry = 13,6 ev