Devoir Surveillé Epreuve de CHIMIE DOSE1002 Séries 1A, 1B, 1C, 1D, 1E, Agen Mercredi 23 Novembre 2011 (11h 12h30) Documents non autorisés Les différents exercices sont indépendants Lire attentivement l intégralité du sujet avant de commencer à répondre!!! Attention les feuilles 3 & 4 sont à remettre avec votre copie!!!! Exercice 1 (33 points) L'absorbance A d'une solution, notée (S), d'un complexe ferrique de concentration inconnue vaut A = 0,624 lorsqu'elle est mesurée pour un rayonnement incident de longueur d'onde 500 nm, dans une cellule de 0.5 cm. d'épaisseur. 1) Quelle relation simple y a-t-il entre la transmission (transmittance) et l absorbance? -A T = 10 (5 points) 2) Quelle est la transmittance (en %) de la solution (S) étudiée? T = 0,238 = 23,8% (3 points) 3) A partir de l étalonnage obtenu (voir Tableau et Graphe ci-dessous), déterminer la valeur du coefficient d extinction molaire de la solution (S)? L analyse du graphe montre clairement qu une erreur expérimentale est associée au 4 ème point, car situé hors droite. Cette valeur ne sera donc pas prise en considération pour la détermination de la valeur du coefficient d extinction molaire. (5 points) Loi de Beer-Lambert : A = ε.l.c d où Cas idéal : faire une régression linéaire. A ε = l.c (5 points) Dans notre cas on prendra la valeur moyenne (ou calcul de la pente de la droite avec un choix correct des points), après avoir déterminé la valeur pour chacun des points, en excluant le 4 ème point (cf. tableau). -1-1 ε 500 = 360,6 L.mol.cm (10 points) -1-1 (N.B. : si toutes les valeurs, ε 500 = 376,5 L.mol.cm ) (3 points) 4) Déterminer la concentration en complexe ferrique de la solution (S). A 0, 624 c = 500 = l.ε 0,5 360,6 500 soit -3-1 -1 c = 3,46.10 mole.l = 3,46 mmole.l (5 points) 1/6
(N.B. : -3-1 c = 3,31.10 mole.l si Concentration en complexe ferrique (mol L -1 ) -1-1 ε 500 = 376,5 L.mol.cm ) () 0,11.10-3 0,45.10-3 0,89.10-3 1,91.10-3 3,42.10-3 6,37.10-3 9,31.10-3 absorbance 0,020 0,081 0,160 0,454 0,616 1,147 1,676 ε 500 (L.mol -1.cm -1 ) 364 360 360 475 360 360 360 Absorbance Etalonnage du complexe ferrique (λ = 500 nm) 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0,00E+00 2,00E-03 4,00E-03 6,00E-03 8,00E-03 1,00E-02 Concentration (mol.l-1) Exercice 2 (33 points) On considère l'atome d'hydrogène. 1) Représentez un schéma figurant les transitions à l'origine des spectres d'émission (ou d'absorption) d'un atome d'hydrogène. Cf. cours (3 points) 2) Donnez la définition de l'état fondamental. Qu'est ce qu'un état excité? Cf. cours (3 + 3 points) 3) On considère un atome d'hydrogène dont l'électron est initialement au niveau d'énergie caractérisé par n = 3. Quelles raies peut-on observer lorsqu'il se désexcite? A quel domaine spectral appartiennent-elles? n initial n final E (en ev) E (en J) λ (en nm) domaine 3 2 1,88889 3,026.10-19 656,4 visible 2 1 10,2 1,634.10-18 121,6 UV 3 1 12,08889 1,937.10-18 102,6 UV 3 x 3 x 3 x 3 points 3 x 2/6
Exercice 3 (50 points) 1. Définir l énergie d ionisation d un atome. aire un schéma correspondant. EI + - A A + e. Schéma : cf. cours (5 points) On considère les trois éléments suivants : lithium (Z=3), sodium (Z=11) et potassium (Z=19). 2. Donner les configurations électroniques de ces trois éléments à l état fondamental. Li [He] 2s 1 Na [Ne] 3s 1 K [Ar] 4s 1 (3 x 3 points) Ces trois éléments (à l état fondamental), se trouvant sous forme de gaz, sont irradiés par des rayonnements électromagnétiques d énergie suffisante pour arracher un électron à chacun d eux et former un ion de charge positive. L arrachement de cet électron est observé pour : - le lithium lorsque celui-ci est irradié par un rayonnement de longueur d onde λ = 230, 288nm ; Li - le sodium lorsque celui-ci est irradié par un rayonnement de nombre d onde -1 ν = 41409,93cm ; Na - le potassium lorsque celui-ci est irradié par un rayonnement de fréquence 15 ν K = 1,04894.10 Hz. a) Calculer, en ev, les énergies de première ionisation des trois éléments. Les ions étudiés n étant pas des ions hydrogénoïdes, la relation utilisée pour ces derniers ne peut être appliquée. Elément -1 λ (en nm) ν (en cm ) ν ( en Hz) E (en J) E (en ev) Li 230,288 1,3018.10 15 8,6259.10-19 5,384 Na 41409,93 1,2414.10 15 8,2258.10-19 5,135 K 1,04894.10 15 6,9504.10-19 4,339 2 x 3 points 3 x 3 points 3 x 3 points Relations utilisées : c ν = λ (); 1 ν = λ () d où ν = cν (); E = hν (3 points) 3/6
b) Justifier l évolution de ces énergies d ionisation pour les trois éléments considérés. Au sein d une famille (ici les alcalins), l énergie d ionisation décroît car l électron arraché à la couche de valence est de plus en plus éloigné du noyau et donc l attraction exercée par celuici est de plus en plus faible. (5 points) c) Classer ces éléments en fonction de leur rayon atomique par ordre décroissant. K + > Na + > Li + (5 points ; si ordre croissant : ) Données : h = 6,6261.10-34 J.s ; c = 2,9979.10 8 m.s -1 ; e = 1.60210-19 C ; R H = 1,0974.10 7 m -1 ; 1 ev= 1,602.10-19 J 4/6
NOM / Prénom : Groupe : Exercice 4 (40 points) Pour chacune des espèces chimiques suivantes, compléter le tableau suivant : Configuration électronique Période Colonne 9 1s 2 2s 2 2p 5 ou [He] 2s 2 2p 5 2 17 13Al 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 1 ou [Ne] 3s 2 3p 1 3 13 21Sc 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 1 4s 2 ou [Ar] 3d 1 4s 2 4 3 24Cr 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 5 4s 1 ou [Ar] 3d 5 4s 1 4 6 35Br 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 2 4p 5 ou [Ar] 3d 10 4s 2 4p 5 4 17 29Cu 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 ou [Ar] 3d 10 4s 1 4 11 12Mg 2+ 1s 2 2s 2 2p 6 3s 0 ou [Ne] 3s 0 3 2 19K + 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 0 ou [Ne] 4s 0 4 1 8 x 3 points 8 x 8 x Exercice 5 (4) On considère les quatre molécules suivantes : B 3 ; H 2 O ; NO - 2 et S 4 1) Représenter leur schéma de Lewis 2) A l'aide de la théorie VSEPR, préciser le formalisme de Gillespie, la figure de répulsion électronique, la forme de la molécule ainsi que la valeur des angles de liaison. 3) En déduire si la molécule possède un moment dipolaire global. Données : H (Z = 1), B (Z = 5), N (Z = 7), O (Z = 8), (Z = 9) et S (Z = 16). Tableau à compléter page suivante 5/6
NOM / Prénom : Groupe : Lewis VSEPR Moment dipolaire oui / non ormalisme de Gillespie : AX 3 B 3 B igure de répulsion : triangle équilatéral orme : triangle équilatéral Non Angle : 120 ormalisme de Gillespie : AX 2 E 2 H 2 O H O H igure de répulsion : tétraèdre orme : forme en V Angle : 109 28 (réel 104,5 ) Oui ormalisme de Gillespie : AX 2 E NO 2 - O N O igure de répulsion : triangle équilatéral orme : forme en V Angle : 120 (réel <120 ) Oui ormalisme de Gillespie : AX 4 E 1 S 4 S igure de répulsion : bipyramide à base trigonale orme : pas de nom particulier Oui Angle : α = 120 ; β = 90 6/6