Université du Maine - Faculté des Sciences et Techniques

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1 Université du Maine - Faculté des Sciences et Techniques «Structure et propriétés des atomes» - C.T. : 1h30 CODE au choix à reporter (VISIBLE) sur la copie double : SECTION : Les réponses aux questions doivent impérativement être données dans les espaces alloués,c est-à-dire sur ces feuilles agrafées! Aucune réponse ne sera corrigée sur la copie double d examen CALCULATRICE et TRADUCTEUR ELECTRONIQUE INTERDITS Une classification périodique vous est fournie page 4 (aucune autre n est permise pendant l examen) 1 - Quels sont les numéros atomiques du nickel et du sodium? (2*0,25= 0,5) 28Ni et 11 Na 2 Après avoir précisé la couche de valence du chlore, puis celle de calcium, donner les valeurs de n, l, m et s, nombres quantiques associés aux électrons de chacune d entre elles. (4*0,5= 2) Cl : 3s 2 3p 5 n=3 l=0 m=0 s=+1/2 Ca : 4s 2 n=4 l=0 m=0 s=+1/2 n=3 l=1 m=-1 s= +1/2 m=0 s=+1/2 m=1 s=1/2 3 Dans le cas des orbitales atomiques d, préciser les valeurs de n, l et m. n>3 ; l=2 ; m=-2 ;-1 ; 0 ; 1 ; 2 (4*0,5= 2) Dessiner soigneusement d xy. 1

2 4 - Donner la structure électronique complète du titane et la structure électronique compacte (réduite) du cuivre sachant que ce dernier fait exception aux règles de remplissage des orbitales atomiques ; comment interpréter cette exception? (3*0,5= 1,5) 22Ti : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 2 29Cu : [Ar] 4s 2 3d 9 selon les règles de remplissage mais en fait [Ar] 4s 1 3d 10 le fait que les orbitales 3 d soient remplies est un critère de stabilité 5 Donner les couches de valence (8*0,25= 2) de l ion Mg 2+, du néon, de l ion oxyde, du krypton, de l ion Na + et de l ion bromure. Combien de groupe(s) d espèces isoélectroniques? Citer un exemple de molécule associant les atomes de magnésium et de brome. Mg 2+ Ne 2s 2 2p 6 O 2- Na + Kr 4s 2 4p 6 MgBr 2 Br - 2 groupes isoélectroniques 6 Justifier, pour périodes et familles de la classification périodique, les variations des rayons atomiques (4*0,5= 2) et de l électronégativité des éléments. r augmente quand Z augmente dans une famille : les électrons se placent sur de nouvelles couches, n² augmente plus vite que Z* r diminue quand Z augmente dans une période : nbres d électrons et de protons augmentent, attraction électrons-noyau plus forte, contraction du nuage électronique L électronégativité évolue à l inverse du rayon atomique (diminue quand Z augmente dans une famille et augmente quand Z augmente dans une période) puisque plus le rayon est petit, plus la force d attraction exercée par le noyau positif sur les électrons est grande. 2

3 7 Définir l énergie d ionisation, justifier son évolution pour les éléments du tableau périodique (3*0,5= 1,5) puis classer par ordre croissant les E i1 des atomes suivants: Sr, azote, Be, Sr 2+ Energie qu il faut fournir pour arracher un électron à l atome X gaz X + gaz + e - L énergie d ionisation augmente globalement dans une période quand Z augmente et diminue dans une famille quand Z augmente. Elle évolue à l inverse du rayon atomique : plus le rayon atomique est grand, plus les électrons de valence sont éloignés du noyau, plus il est facile d en arracher un. Ei1 : Sr < Be < N < Sr 2+ 8 A quel bloc appartiennent les éléments les moins électronégatifs du tableau périodique (justifier)? (2*0,25= 0,5) Au bloc s (métaux alcalins et alcalino-terreux) Les éléments de ce bloc ont pour terminaisons électroniques ns 1 (métaux alcalins) ou ns 2 (alcalino-terreux), ils ont tendance à facilement perdre 1 ou 2 e- pour atteindre la configuration stable des gaz rares (ns 2 np 6 ) 9 Donner le plus «célèbre» des métaux liquides à l état naturel et citer le bloc comportant des non métaux. Le mercure, 80 Hg Le bloc p (2*0,25= 0,5) 3

4 10 - Hachurer, sur la classification périodique fournie, la famille des alcalins et celle des chalcogènes; (2*0.25=0.5) Puis présenter de façon concise leurs principales propriétés (métaux, non métaux bloc de la classification, couche de valence et ses tendances à évoluer, degrés d oxydation minimal et maximal, liaisons envisageables.) H 2.1 He Li Be B C 2.5 N 3.0 O 3.5 F 4.0 Ne Na 0.9 Mg 1.2 Al Si P 2.1 S 2.5 Cl 3.0 Ar K 0.8 Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As 2.0 Se 2.4 Br 2.8 Kr Rb 0.8 Sr Y 1.2 Zr 1.4 Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd 1.4 In Sn Sb Te 2.1 I 2.5 Xe Cs 0.7 Fr 0.7 Ba 0.9 Ra 0.9 Hf Th Ta Pa W U Re Ln Ac 1.1 Np- Lr Os Ir Pt - Les alcalins Bloc s, métaux, terminaison électronique ns 1, réducteurs, ont tendance à perdre un e- pour atteindre la configuration du gaz rare précédent, n.o.min = 0, n.o.max = +I, forment facilement des liaisons ioniques - Les chalcogènes (12*0,25= 3) Bloc p, O, S, Se non métaux ; Te métalloïde, Po métal ; terminaison électronique ns 2 np 4, tendance à gagner 2 électrons pour atteindre la configuration du gaz rare suivant. n.o.min= - II ; n.o.max = +VI, peuvent former des liaisons covalentes. Au 2.4 Hg Tl Pb Bi Po 2.0 At Rn 4

5 11 Pour les particules élémentaires, que stipule le principe d incertitude d Heisenberg? (1) On ne peut déterminer simultanément et de façon précise la position et la vitesse d une particule élémentaire 2 12 L isotope 14 du carbone est produit de manière continue dans l atmosphère par l action des neutrons du rayonnement cosmique sur l azote 14 ; écrire la réaction. (0,5) Au cours de la chaîne alimentaire, quelle molécule permet au carbone 14 de s insérer jusqu à l organisme des êtres vivants? Dioxyde de carbone CO 2 (0,25) Avec une période de 5580 ans, le carbone 14 présente une radioactivité β. Ecrire l'équation nucléaire de décomposition radioactive. (0,5) Quelle application permet cette cinétique de désintégration radioactive? (0,25) Une datation Le mercure 203 est un radioisotope utilisé en scanographie du rein. (2*0,5 = 1) Un C.H.U. dispose d un échantillon de Hg(NO 3 ) 2 de 0,200 mg ; sachant que la période du mercure 203 est de 47 jours, Calculer, en justifiant, le temps au bout duquel ne restera que mg de radioisotope mg représente le quart de 0,200 mg, le temps au bout duquel il ne restera qu un quart du nombre de nucléides de départ correspond à deux fois le temps de demi vie, ou 2 périodes du radioisotope. Donc t = 2 x 47 = 94 jours 5

6 Si nécessaire, rappels : N(t) = N(0). e -λt avec N, le nombre de noyaux radioactifs au temps t et λ la constante radioactive A(t) = λ. N(t) avec A, l activité (nombre de désintégration(s) par unité de temps) T est la période ou 1/2 vie à t=t, on a NT = N0/2 d où T= Ln2/λ 13 - Quelle grandeur met en évidence la plus ou moins grande stabilité d un noyau atomique? (0,25) l énergie de cohésion par nucléon Quelle relation célèbre permet de la calculer? (0,5) relation d Einstein : E = mc 2 Quel est le noyau atomique le plus stable de la classification périodique? (0,25) le fer 56 Fe 6