Date de l'epreuve : 13 JANVIER 2012 AERO-1 A, B, C. Professeur : Monsieur BOUGUECHAL

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1 I.P.S.A. 5 / 9 rue Maurice Grandcoing Ivry Sur Seine Tél. : Date de l'epreuve : 13 JANVIER 2012 Classe : AERO-1 A, B, C Corrigé PARTIEL DE STRUCTURE DE LA MATIERE PARTIEL Professeur : Monsieur BOUGUECHAL Durée : 1h30 2 h 00 3 h 00 Sans (1) Notes de Cours Avec (1) Sans(1) Calculatrice Non programmable (1) Rayer la mention inutile NOM : Prénom : N de Table : PARTIEL DE STRUCTURE DE LA MATIERE Formulaire : Slater et VSEPR (pages 10/10); l épreuve comporte 4 exercices. Barème à titre indicatif. Inscrivez vos nom, prénom et classe Justifiez vos affirmations si nécessaire. Il sera tenu compte du soin apporté à la rédaction. NOM : NUMERO : PRENOM : Si au cours de l épreuve, vous repérez ce qui vous parait être une erreur ou un oubli dans l énoncé, vous le signalez clairement dans votre copie et vous poursuivez l examen en proposant une solution. T.S.V.P. 1/10

2 Exercice 1 : Les coefficients de Slater ( 2.5 points ) Selon la proposition de Slater les coefficients d écran sont déterminés de la manière suivante. A. Les orbitales atomiques sont séparées en : 1. Groupes 2. Couches 3. Niveaux 4. Orbitales 5. Aucune réponse B. Le coefficient d écran σ relatif à un électron est : 1. négatif 2. compris entre 0 et 1 3. égal à entre -1 et Aucune réponse C. Pour un électron 1s le coefficient d écran de l autre électron 1s vaut : D. Pour un électron 4s4p, le coefficient d écran d un électron d une orbitale atomique de nombre quantique principal supérieur à 4 vaut : E. Pour un électron 4s4p, le coefficient d écran d un électron d une orbitale atomique de nombre quantique principal égal à 1 vaut : F. Le numéro atomique effectif de l atome d hydrogène ( Z =1 ) est : G. Le numéro atomique effectif de l atome d hélium ( Z = 2 ) est : Aucune réponse H. Le numéro atomique effectif de l atome de lithium ( Z = 3 ) est toujours: 1. égal à inférieur à 3 3. égal à égal à 3 5. Aucune réponse I. Le numéro atomique effectif Z* eff d un atome en général de numéro atomique Z est : 1. égal à Z 2. inférieur à Z 3. supérieur à Z 4. cela dépend 5. Aucune réponse J. Le numéro atomique effectif d un atome est : 1. la charge du noyau 2. la charge des électrons 3. la charge effective 4. la charge totale 5. Aucune réponse Cochez la ou les bonne(s) case(s). EERCICE A B C D E F G H I J 0.25 par ligne. 2/10

3 Numéro atomique Nom de l élément Elément Exercice 2 : Schéma de Lewis et méthode VSEPR ( 6.5 points ) a) Complétez le tableau suivant : Configuration électronique Configuration électronique avec les cases quantiques Schéma de Lewis 1s 2 8 Oxygène 8O 2s 2 2p 4 O 16 Soufre 16S 1s 2 2s 2 2p 6 S 3s 2 3p 4 1s 2 9 Fluor 9F 2s 2 2p 5 F 1s 2 15 Phosphore 15 P 2s 2 2p 6 3s 2 3p 3 P 1s 2 17 Chlore 17Cl 2s 2 2p 6 3s 2 3p 5 Cl 3/10

4 b) Donner le schéma de Lewis de ces molécules : SF 4 PCl 5 SO 2 H 3 O + Molécules SF 4 F F s F Schéma de Lewis F PCl 5 Cl Cl Cl P Cl Cl SO 2 O O S H 3 O + H H O + H c) Quel réarrangement de la couche externe doit-on faire à l atome central pour obtenir certains de ces composés. Pour obtenir ces composés, un doublet ou deux doublets non liants se transforment en deux électrons célibataires et donnent lieu alors à une ou plusieurs liaisons covalentes avec les atomes périphériques. 4/10

5 d) En déduire leurs géométries selon la méthode VSEPR. (Compléter le tableau) Molécules Type de molécule Figure géométrique SF 4 A 4 E 1 Tétraèdre déformé PCl 5 A 5 Bipyramide à base triangulaire SO 2 A 2 E 1 Coudée angle voisin de 120 H 3 O + A 3 E 1 Pyramide à base triangulaire pour la présentation! 5/10

6 Exercice 3 : Le rayon des atomes et des ions ( 8 points ) a) Déterminer la structure électronique des atomes suivants : 1H 2He 3Li 5B 7N 9F 10Ne b) Calculer les coefficients d écran pour tous les groupes d électrons des ces atomes et en déduire les charges effectives pour chaque groupe d électrons Z*eff (compléter le tableau). c) Calculer les coefficients d écran pour tous les groupes d électrons des ions négatifs correspondants (une seule charge négative) et en déduire les charges effectives pour chaque groupe d électrons Z*eff (compléter le tableau ). d) En déduire les rayons des atomes et des ions correspondants. Donner l allure des rayons en fonction de Z de ces atomes et des ions correspondants. conclusion Réponse : a) Atomes 1H 1s 1 2He 1s 2 3Li 1s 2 2s 1 5B 1s 2 2s 2 2p 1 7N 1s 2 2s 2 2p 3 9F 1s 2 2s 2 2p 5 10Ne 1s 2 2s 2 2p 6 Structure électronique b) Atomes 1H 2He 3Li 5B Coefficient d écran Numéro atomique effectif Z* 7N 9F 10Ne 6/10

7 c) ions 1H - 2He - Coefficient d écran Numéro atomique effectif Z* 3Li B - 7N - 9F - 10Ne - d) Atomes Rayons ( pm ) 1H 2He 3Li 5B 7N 9F 10Ne ions Rayons ( pm ) 1H - 2He - 3Li - 5B - 7N - 9F - 10Ne - 7/10

8 e) Rayon ( pm ) des atomes en fonction de Z Rayon r ( pm ) Numéro atomique Z Rayon ( pm ) des ions positifs en fonction de Z rayon ( pm ) ,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 numéro atomique Z Conclusion : Pour une même période (n constant), le rayon de l atome diminue quand Z augmente ; Quand n augmente, c'est-à-dire passage à une période plus grande, le rayon augmente. Pour les ions, le gain d un électron augmente le rayon, cette augmentation est plus ou moins importante, si le gain d un électron, ouvre une couche, le rayon augmente beaucoup. 8/10

9 Exercice 4 : Energie d ionisation ( 4 points ) L énergie d ionisation d un atome est donnée par : E.I = E (A + ) - E(A) où A est un atome quelconque et E représente l énergie totale. a) Déterminer l énergie totale de tous les électrons des atomes suivants : 1H 3Li 5B b) Déterminer l énergie totale de tous les électrons des ions suivants : 1H + 3Li + 5B + c) En déduire l énergie d ionisation de chaque atome. ( On pourra utiliser les résultats de l exercice précédent ) a) Atomes Structure électronique Numéro atomique effectif Z* 1H 1s 1 3Li 1s 2 2s 1 5B 1s 2 2s 2 2p 1 Atomes Energie d un électron ( ev ) Energie totale ( ev ) 1H 3Li 5B 9/10

10 b) Ions Structure électronique Numéro atomique effectif Z* 1H + x x 3Li + 5B + 1s 2 2s 2 Ions Energie d un électron ( ev ) Energie totale ( ev ) 1H Li + 5B + c) Atomes Energie d ionisation ( ev ) 1H 3Li 5B 10/10

11 Coefficients d écran de Slater Etat de l électron faisant écran Electron étudié 1s 2s2p 3s3p 3d 4s4p 4d 4f 1s s2p s3p d s4p d f r Energie d un électron i E 13.6 n *2 i Z *2 eff Rayon des orbitales atomiques *2 a * 0 avec a 0 = 53 pm eff Z n La valeur de n* est donnée par : n n* Méthode VSEPR n+p n p Type Figure géométrique A 2 Segment de droite ( linéaire ) A 3 Triangle 2 1 A 2 E 1 Coudée, angle voisin de A 4 Tétraèdre 3 1 A 3 E 1 Pyramide à base triangulaire 2 2 A 2 E 2 Coudée, angle voisin de A 5 Bi-pyramide à base triangulaire 4 1 A 4 E 1 Tétraèdre déformé 3 2 A 3 E 2 En forme de T 2 3 A 2 E 3 Linéaire 11/10