Chimie TD1 TSI2_2015_2016

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1 Exercice 1 : Calcul de la masse molaire d un élément A l aide du tableau ci-contre, déterminer, pour l atome d oxygène : - Le nombre de protons - Le nombre de nucléons, le nombre de neutrons pour chaque isotope - La masse molaire avec 4 chiffres significatifs 3) A la lumière des résultats précédents, quel est le nombre d électrons d une couche de rang? On admettra que l on a 2 électrons par couche. Exercice 3 : Configuration électronique de quelques atomes 1) Le fluor : a) Quelle est la configuration électronique du fluor (=9)? En suivant les trois règles de remplissage : 1,2,2 b) Représenter cette configuration électronique à l aide des cases quantiques L oxygène, repéré par la lettre O possède : - 8 protons - Son nombre de nucléons dépend de l isotope considéré. Il existe trois isotopes dont le nombre de nucléons est donné par 16, 17 et 18 ce qui correspond respectivement à 8, 9 et 10 neutrons. - La masse molaire est donnée en tenant compte de l abondance relative à chaque élément. En utilisant l unité de masse atomique, on peut faire directement la conversion en / donc avoir la masse molaire : = 99, , , ,00/ Exercice 2 : Electron et nombre quantique : 1) Quel est le nombre d orbitales sur une couche quantique principal =2? =3? Une orbitale est déterminée par le jeu des trois nombre quantique, l, l. Pour : - =2, on a 2,2,2,2 ; soient 4 orbitales - =3, on a 3,3,3,3 et 5 orbitales, soient 9 orbitales 2) Quel est le nombre maximum d électrons sur une couche quantique principal =2? =3? D après la règle d exclusion de Pauli, on ne peut mettre que deux électrons de spin opposés dans une même orbitale. On a donc 8 et 18 électrons au maximum dans les couches =2 et =3 c) Donner les nombres quantiques caractéristiques de chaque électron =1 1,0,0,1 2) 1,0,0, 1 2) =2 2,0,0,1 2),2,0,0, 1 2), 2,1, 1,1 2),2,1, 1, 1 2), 2,1,0,1 2),2,1,0, 1 2), 2,1,1,1 2) le spin total devant être maximal (règle de Hund) 2) L azote L azote se situe à la 2 ème ligne et 5 ème colonne du tableau périodique. a) Que vaut son numéro atomique? b) Quelle est sa configuration électronique? Le numéro atomique de l azote est Z = 7 et sa configuration électronique ) L oxygène L'oxygène se trouve dans la 2ème ligne et la 6ème colonne du tableau périodique. a) Donner sa structure de Lewis. b) Quel ion est formé préférentiellement et qui suit ainsi la règle de l octet?

2 La configuration électronique de l oxygène est Afin de vérifier la règle de l octet, l ion le plus probable est 4) Le cuivre On donne pour le cuivre Cu : Z=29 a) Donner sa configuration électronique. Où se situe-t-il dans le tableau périodique? b) Les ions et, provenant d un même isotope du cuivre, se différencient-ils par le : i. numéro atomique, ii. nombre de masse, iii. nombre de protons, iv. nombre de neutrons, v. nombre d électrons? Le cuivre est un métal de transition, en utilisant la configuration du gaz rare le plus proche : 4 3 qui devient, pour raison de stabilité 3 4. Proposant ainsi la formation d ions, ne différents que par leur nombre d électrons. Exercice 4 : Application de la règle de Klechkowsky : Préciser les configurations électroniques dans l état fondamental des atomes et des ions suivants : (On allègera l écriture de la configuration en faisant intervenir le gaz rare le plus proche.) 1) Silicium ( =14) 2) Fer ( =26) 3) Antimoine ( =51) 4) Carbone ( =6) 5) Sodium ( =11) 6) Chlore ( =17) :3 3,:4 3, :)5 4 5,:2 2, :3,:3 3 Exercice 5: Energie d ionisation 1) Proposer une justification simple à l évolution observée des valeurs d énergie d ionisation au sein de la famille des halogènes : Energie de 1 e ionisation(ev) F Cl Br I 17,4 13,0 11,8 10,5 électrons de valence de l iode sont donc moins retenus ce qui explique l énergie d ionisation plus faible. 2) L énergie de deuxième ionisation d un atome (transformation ) )+ ) est plus importante que l énergie de première ionisation, expliquez. Attribuer à chaque élément le couple (en ev) des énergies de première et de deuxième ionisation qui lui correspond : Élément :,,,,,. Couples de valeurs :(5,1;47,3) 6,1;11,9)17,4;35,0) 8,3;25,1)21,5;41,1)5,4;75,6) L ion ) présente une attraction électrique plus forte (plus de protons que de neutrons), l énergie de deuxième ionisation est donc logiquement plus forte. Le lithium et le sodium sont des alcalins, ils ont don une énergie de 1 e ionisation faible. Le sodium faisant intervenir une couche de valence plus éloignée, on a donc :5,1;47,3) 5,4;75,6) Le calcium est un alcalinoterreux, c est en revanche l énergie de deuxième ionisation qui est relativement faible : 6,1;11,9) Le néon est un gaz rare, donc son énergie de 1 e est importante 21,5;41,1) Le fluor est un halogène électronégatif fortement est sur la même période que le Bohr (moins électronégatif), donc son énergie d ionisation : 8,3;25,1) 17,4;35,0) Exercice 6 : Rayon atomique : Dans chacune des paires suivantes, quel serait l atome ou l ion le plus volumineux? -, < (Ba utilisant plus de couche sur une même colonne) -, < (Sur une même période l attraction électrique augmente) -, > ( c est 6 protons et 8 électrons, c est 7 protons et 8 électrons. La répulsion sera donc plus importante dans ) -, < (On descend dans le tableau périodique) -, (11 protons pour 10 électrons pour l ion sodium, donc < Exercice 7 : Représentation de Lewis Les halogènes présentés ici sont donnés de haut en bas dans le tableau périodique. Ainsi, le nombre de couche augmente et la distance avec le noyau avec. Les 1) a) Donner la configuration électronique de l aluminium.

3 b) En déduire alors la formule de Lewis de la molécule (trichlorure d aluminium). c) Donner la représentation de Lewis de l ion (tétrachlorure d aluminium) :3 3 Donc :. L arrivée des trois chlore va permettre au électrons d occuper 2 orbitales p et de former le trichlorure d aluminium. Pour l anion, l aluminium se retrouve avec 4 électrons soit une charge formelle négative portée par ce dernier. 2) Donner la représentation de Lewis des molécules suivantes : Exercice 8 : Ions : 1) L argent naturel existe sous deux formes isotopiques : (51,83%) et (48,17%). a) Donner la structure du noyau de ces deux isotopes. b) Calculer la masse molaire de l argent. c) Justifier la configuration électronique de l argent :4 5. d) L argent donne naissance à un ion, quelle est sa structure? On a donc 107 nucléons pour l un (avec 47 protons et 60 neutrons) et 109 nucléons pour l autre isotope (avec 47 protons et 62 neutrons). Exercice 9 : Cristallographie du cuivre Le Cuivre métal est décrit en cristallographie par un réseau cubique à faces centrées avec un paramètre de maille a = 361 pm. 1) Représenter une maille cubique conventionnelle du cuivre en utilisant un modèle éclaté (les atomes de métal seront représentés par de gros points). 2) Donner la relation entre le paramètre de maille a et le rayon métallique R puis calculer R. La masse molaire est alors donnée par 108,0 g/mol. La configuration :4 5 de l argent s explique par la stabilité donnée par le remplissage de la couche. Ainsi, l ion :4 apparaîtra facilement. 2) a) Donner les structures électroniques du calcium, de, de et de. b) Quel est, selon vous, l ion le plus stable? On a des atomes jointifs sur la diagonale, ainsi : 2=4 :4 ; :4, :, :3 3 apparaît comme l ion le plus probable en prenant la configuration du gaz rare le plus proche Exercice 10 : Cristal ionique = 2 4 =128 3) Donner les charges formelles portées par chaque atome des molécules suivantes : Le chlorure de sodium cristallise dans un système cubique. Un modèle simple de cristal ionique assimile les ions à des sphères rigides. Le mode de cristallisation de ce sel est deux réseaux cubique faces centrées décalés d un demi paramètre de maille (ou des ions chlorure (Cl-) sont placés en «cubique à faces

4 centrées» et les ions sodium (Na+) occupent les sites octaédriques). On donne les rayons ioniques 100 et 200, 20., 40. et le nombre d Avogadro 6 10 Les sites octaédrique sont situées au milieu de chaque arrêtes et au centre de la maille : 1) Faire un schéma de la structure cristalline 2) Calculer le nombre d ions chlorure et le nombre d ion sodium appartenant à la maille dessinée 3) Evaluer la masse volumique ρ de ce sel. Le rayon disponible vérifie alors : Avec : 4= 2 2+ )= Donc : = 1 = 1 = 2 1 0,4 Les sites tétraédrique sont inscrit dans les 8 cubes d arrête a/2 inscrit dans la maille d arrête a On a 8 +6 soit 4 ions chlorure et si tous les sites octaédrique sont occupés alors 1+12 soit 4 ions sodium. La masse volumique est donc donnée par : = 4 + ) Avec =2 + ) Et =, = Le contact entre l atome dans le site et les autres atomes impose : + = Donc : = 6 10 ) ) Avec un CFC qui impose 4= 2 Donc : = 3 2= 1=0,2 Exercice 11 : site tétraédrique et octaédrique 1) Déterminer les positions, le nombre de sites octaédriques et tétraédriques dans la structure cubique faces centrées. 2) Donner leurs habitabilité (rayon et maximal de la sphère qui peut s insérer dans le site sans déformer la structure) en fonction du rayon du motif

5 Exercice 12 : Carbone et silicium Exercice 13 : Stockage de l hydrogène 1) Expliquer pourquoi les atomes de carbone et de silicium présentent des propriétés physicochimiques communes. 2) Ces deux atomes cristallisent (séparément) dans une structure identique de type cubique face centrée avec de surcroît la moitié des 8 sites tétraédriques non conjoints occupés. On donne les distances interatomiques carbonecarbone =0,154 et silicium-silicium =0,234. Calculer la masse volumique de ces deux cristaux. =12,0111., =28,086. = 6, Ces atomes appartiennent à la même colonne du tableau périodique : =6 et =12. Ils ont donc tous les deux la même configuration électronique des électrons de valence : ce qui leur confère les mêmes propriétés chimiques. Les sites tétra sont ceux qui fixent le contact jointif (car ici on insère des atomes plus gros que la limite sans déformation): 2== 4 3 Il est possible d insérer des atomes d hydrogène dans un cristal CFC compact de titane. A basse pression on insère alors les atomes d hydrogène dans chaque site tétraédrique. 1) Quelle est la formule exacte du composé obtenu? 2) Les rayons atomiques sont =0,140 et =0,025. L hydrogène fait-il gonflé le métal? 3) Quels sont le rayon du site tétarédrique et l arrête de la maille? Si tous les sites tétraédriques sont occupés alors il y a 8 H dans la maille pour 4 Ti soit. Dans cette situation, le contact est assuré entre atome de Titane car <0,2 donc : Soit =0,396 2=4 Et le site tétraédrique est inscrit dans un cube de diagonale : + = soit = = 1=0,03 = 8 12, / 6, ) / = 8 28, / 6, ) /