Exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome Données : h = 6,63.10-34 J.s c = 3,00.10 8 m.s -1 1 ev = 1,60.10-19 J Exercice n 1 : d'après QCM 2006 131 A partir de l écriture suivante, 53 I on peut déduire que : a. Le nombre de nucléons est 131 b. Il y a 53 électrons dans cet ion c. Il y a 131 neutrons dans ce noyau. Exercice n 2 : Le potassium naturel K (de numéro atomique 19) contient trois isotopes : Isotopes Masse molaire atomique (g.mol -1 ) Abondance naturelle (%) Potassium 39 38,94 93,258 Potassium 40 39,94 0,0120 Potassium 41 40,94 6,730 Calculer la masse molaire atomique de l'élément potassium en g.mol -1. Exercice n 3 : Dans l'extrait ci-contre d'une classification périodique, on peut lire les valeurs du numéro atomique, du nombre de masse, et de la masse molaire atomique (en g.mol -1 ) de quelques éléments. 1. Dans le cas du chlore, on connaît deux nucléides : le chlore 35 et le chlore 37. a. Sans calcul, montrer quel isotope est le plus abondant. b. Déterminer les pourcentages d'abondance naturelle de ces deux isotopes. 2. Même question pour le soufre, où l'on considèrera les nucléides 32 et 34. DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 1 /7
Exercice n 4 : d après QCM 2002 Soit un photon de longueur d onde dans le vide 5 nm. 1. Sa fréquence vaut 6.10 17 Hz. 2. Son énergie vaut 248 ev. 3. Il appartient au domaine des rayonnements infra-rouges. Exercice n 5 : L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un métal sous l'action d'un rayonnement lumineux. L'énergie minimale qu'il faut fournir à l'électron pour l'expulser du métal est appelée l'énergie d'extraction. L'énergie d'extraction d'un électron d'un atome de tungstène vaut E = 4,9 ev. 1. On utilise une lumière de longueur d'onde 250 nm. a. Calculer l'énergie du photon envoyé. b. Est-ce suffisant pour observer un effet photoélectrique? 2. a. Quelle est la fréquence minimale d'une lumière incidente pouvant produire un effet photoélectrique sur le tungstène? b. Donner sa longueur d'onde et son domaine de radiations. Exercice n 6 : d après QCM 2006 On donne les nivaux d'énergie de l'atome d'hydrogène : E1 = -13,6 ev E2 = -3,4 ev E3 = -1,5 ev E4 = -0,85 ev Expliquer (en justifiant) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses : L'excitation d'un atome d'hydrogène depuis son état fondamental peut s'accompagner : a. de l'émission de photons de 10,2 ev b. d'absorption de photons de 12,1 ev c. d'absorption de photons de 1,9 ev DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 2 /7
Exercice n 7 : QCM 2002 Les énergies des niveaux de l atome d hydrogène sont données par la relation 13,6 En = (où 2 En est exprimée en ev et n est le nombre quantique principal ). n a. Au niveau n= 2, l énergie de l atome vaut -1,51 ev b. Un photon d énergie 15 ev ne peut pas provoquer l ionisation de l atome d hydrogène c. Un photon de longueur d onde 121,7 nm provoque l ionisation de l atome d hydrogène d. Lorsque l électron de l atome d hydrogène, excité au niveau n= 2, retombe à l état fondamental, la longueur d onde de la radiation émise vaut 121,7 nm. Exercice n 8 : Le diagramme des niveaux d'énergie En de l'atome d hydrogène est représenté ci-contre : 1. a. Donner la valeur de n correspondant à l'état fondamental, et celle correspondant à l'état ionisé. b. Donner la définition de l'énergie d'ionisation d'un atome. c. Déterminer en ev la valeur de l'énergie d'ionisation de l'atome d'hydrogène. 2. L'atome d'hydrogène étant dans l'état excité E5, il se désexcite et passe à l'état d'énergie E2. a. Sous quelle forme l'énergie correspondant à cette transition est-elle libérée? b. Déterminer en ev la valeur de cette énergie E5,2. c. Représenter cette transition sur le diagramme précédent. 3. Lorsqu'il est dans son état fondamental, l'atome d'hydrogène est capable d'absorber un photon associé à une radiation monochromatique de longueur d'onde λ = 97,3 nm. Il passe alors à l'état d'énergie E4. Calculer la valeur de l'énergie E4. 4. Quelle est la condition nécessaire pour qu'il y ait absorption d'un photon par l'atome d'hydrogène? 5. Lorsqu'on décompose la lumière émise par une lampe à vapeur d'hydrogène, quel type de spectre obtient-on? Pourquoi a-t-on ce type de spectre? DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 3 /7
Exercice n 9 : 1. Compléter le tableau des couches et sous-couches électroniques ci-dessous : 2. Montrer que le nombre d'électrons par couche suit la règle ne- = 2n², où n est le nombre quantique principal. 3. Vérifier que le nombre d'électrons par sous-couche est bien égal à 2(2l+1). Exercice n 10 : QCM 2006 Les états d énergie d un électron sont définis par quatre nombre quantiques. On peut affirmer que : 1. Le nombre quantique magnétique m varie par valeurs entières de n à +n. 2. Le nombre quantique secondaire l varie par valeurs entières de 0 à n 1. 3. Deux électrons appariés ont leurs quatre nombres quantiques identiques. 4. Le nombre quantique de spin est égal à 1 DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 4 /7
Exercice n 11 : QCM Déterminer la proposition vraie, sans justifier. Les différentes orbitales électroniques d'un atome d'hydrogène correspondent : a. à des niveaux d'énergie d'autant plus bas que ces orbitales sont plus proches du noyau. b. à des niveaux d'énergie d'autant plus hauts que ces orbitales sont plus proches du noyau. c. à des niveaux équidistants les uns des autres Exercice n 12 : QCM Déterminer la proposition vraie, sans justifier. a. L'énergie de liaison d'un électron de la couche K est inférieure à l'énergie de liaison d'un électron de la couche L. b. L'énergie de liaison d'un électron sur la couche K est toujours égale à -13,6 ev. c. L'énergie d'ionisation d'un atome est égale à l'énergie de liaison d'un électron de la couche K. Exercice n 13 : QCM 2002 On connaît le diagramme d énergie simplifié du tungstène. Expliquer (en justifiant) si les affirmations suivantes sont vraies ou fausses. E (kev) 0-2,3 M -11,3 L a. Dans son état fondamental, l atome de tungstène a une énergie nulle. b. Les photons de fluorescence de la raie Lα du tungstène ont une énergie de 9,0 kev (préciser le domaine correspondant). c. Les photons de fluorescence de la raie Kα du tungstène ont une longueur d onde égale à 18 pm (préciser le domaine correspondant). -70 K Exercice n 14 : 2000 1. a. Donner la configuration électronique de plus basse énergie des atomes suivants : 11Na, 27Co, 15P. b. Les situer (ligne et colonne) dans la classification périodique à 18 colonnes. DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 5 /7
2. a. A quelles valeurs du nombre quantique principal correspondent les couches K, L, M et N? b. Quel est le nombre maximum d électrons sur chacune de ces couches? Pour chacun des atomes précédents, indiquer combien il y a d électrons sur chacune de ces couches. 3. a. A quelles valeurs du nombre quantique secondaire correspondent les souscouches s, p, d et f? b. Quel est le nombre maximum d électrons sur chacune de ces sous-couches? Exercice n 15 : Q.C.M 2010 On considère le spectre d émission de l atome d hydrogène. On ne s intéresse qu aux radiations de la série de Balmer qui correspondent aux transitions électroniques des niveaux n = 3, 4, 5, 6 vers le niveau n = 2, ( le niveau n = 1 correspondant à l état fondamental). a. Dans l atome d hydrogène, l énergie exprimée en ev d un niveau n est donnée 13,6 par la relation En = 2 n b. Toutes les radiations correspondant aux transitions considérées se situent dans le domaine visible. c. L énergie de la radiation la plus énergétique de celles étudiées est égale à 3,02 ev. Justifier la réponse. d. La radiation la plus énergétique de la série se nomme «raie Lα». Exercice n 16 : 1990 1. Construire ( échelle : 1 cm pour 1 ev ) le diagramme des niveaux d énergie (jusqu à la couche N) de l atome d hydrogène, sachant que l énergie d un niveau n 13,6 est donnée par la relation En = (en ev). 2 n 2. Définir et déterminer l énergie d ionisation d un atome d hydrogène pris dans son état le plus stable (état fondamental). 3. On souhaite déterminer le spectre d émission d une lampe à vapeur d hydrogène. a. Montrer que la relation entre l énergie E (en électronvolt) d un photon et sa 1241 longueur d onde (en nm) est donnée par la relation λ (en nm) =. E( en ev ) b. Faire apparaître sur le diagramme d énergie les transitions possibles pour l électron de l atome d hydrogène, en indiquant le nom de la raie d émission correspondante. DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 6 /7
c. En utilisant ce que vous avez démontré auparavant, remplir le tableau suivant, qui récapitule le spectre d émission de l atome d hydrogène (en se limitant au 4 premières couches). Transition de l électron Nom de la raie Energie émise ( ev) Longueur d onde du photon Domaine du rayonnement (préciser la couleur si la longueur d onde est dans le domaine visible) Exercice n 17 : 1982 L atome de Molybdène Mo a pour numéro atomique 42. 1. Déterminer la structure électronique du molybdène. 2. Les valeurs des premiers niveaux d énergie du molybdène sont données par le tableau suivant : Souscouche 1s 2s 2p 3s 3p 3d E (ev) - 20 002-2876 -2 854-508 - 400-232 Construire (échelle : 1 cm pour 1000 ev) le diagramme des niveaux d énergie de l atome de molybdène. 3. Faire apparaître sur le schéma précédent les transitions correspondant aux raies d absorption Kα et Lα de l atome de molybdène. 4. En réalité, certaines transitions sont interdites et seules sont permises les transitions pour lesquelles le nombre quantique secondaire l varie de +1 ou -1. Dans celles vues au 3., déterminer les transitions autorisées. 5. Pour ces transitions autorisées, déterminer (en pm) les longueurs d onde correspondantes. 6. Quel type de rayonnement faut-il envoyer sur une cible en molybdène pour observer des raies d absorption? 7. Déterminer la valeur de longueur d onde maximale pour provoquer l ionisation de l atome de molybdène depuis son niveau 1s. DTS 1 2010-2011 exercices chapitre 1 : structure électronique de l atome 7 /7