Samedi 25 septembre 2010 DS n 1 Architecture de la Matière et Révisions Durée : 2 heures CRRECTIN Partie 1 : Autour du brome 1. Le numéro atomique d un élément correspond au nombre de protons présents dans son noyau. 2. Un noyau de 79 Br contient 35 protons et 44 neutrons. Un noyau de 81 Br contient 35 protons et 46 neutrons. Ces deux atomes sont liés par une relation d isotopie. 3. n appelle l état fondamental d un atome son état de plus basse énergie. 4. La configuration électronique du brome dans son état fondamental est : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 5 5. Un «électron de valence» est : soit un électron de la dernière couche remplie (ici la couche n 4, donc on entoure les électrons 4s et 4p) soit un électron de la sous-couche en cours de remplissage (ici 4p, mais les électrons 4p ont déjà été repérés comme électrons de valence avec le critère précédent) (Le brome a donc 7 électrons de valence.) 6. Représentation de la répartition des électrons de valence dans leurs cases quantiques : 4s 4p n sait que m l varie entre l et l et qu une sous-couche s correspond à l=0 et une p à l=1. Il n y a donc qu une A s (correspondant à m l = 0) contre 3 A p (correspondant à m l = -1, 0 ou 1). Pour trouver la répartition des électrons, on se fonde aussi sur le principe d exclusion de Pauli, qui stipule que deux électrons d un même atome ne peuvent pas être dans le même état quantique, donc ne peuvent pas correspondre au même quadruplet (n, l, m l, m s ). Ainsi, pour une A donnée, pour laquelle n, l et m l sont fixés, il ne reste plus que deux possibilités car m s ne peut prendre que les deux valeurs +1/2 et -1/2. Dans chaque case quantique, on peut donc placer au maximum 2 électrons de spin opposés. 7. S=1/2 (un seul électron célibataire). Le brome est donc paramagnétique dans son état fondamental.
8. Pour trouver la ligne dans laquelle le brome se trouve, il suffit de repérer la plus haute couche remplie dans la configuration électronique précédente. Il s agit de la couche n 4, le brome se situe donc dans la 4 ème ligne. En ce qui concerne la colonne, on remarque que la configuration se termine en 4p 5 ; le brome se situe donc dans la 5 ème colonne du bloc p, soit la 17 ème colonne de la classification. 9. L énergie de première ionisation d un élément chimique A est l énergie nécessaire à la transformation A (g) A + (g) + e -. A (g) et A + (g) étant des espèces gazeuses dans leur état fondamental. 10. L espèce obtenue après première ionisation du brome est Br + (g). La répartition de ses électrons dans sa dernière sous-couche à l état fondamental est (réponse f). n élimine en effet les réponses b, c et h car elles ne proposent pas la bonne souscouche (la dernière sous-couche est la 4p qui comporte 3 A). n élimine aussi b, d, e et h car elles ne proposent pas le bon nombre d électrons (après ionisation, la souscouche 4p contient 4 électrons). n élimine aussi b et g car elles ne respectent pas le principe de Pauli : ce sont donc des configurations impossibles. Enfin, on élimine a qui ne respecte pas la règle de Hund et correspond donc à un état excité et non à l état fondamental. Il n y a que la réponse f qui respecte à la fois les trois principes de remplissage et correspond donc à l état fondamental de Br +. 11. EI n augmente avec n. En effet, on arrache des électrons de plus en plus «profonds». Ils sont donc en moyenne plus proches du noyau, donc plus fortement liés à lui. Il est donc plus difficile de les soustraire à son attraction. Au niveau de EI 6, on arrache le 6 ème électron. n réalise donc : Br 5+ (g) Br 6+ (g) + e -. r, les configurations électroniques de ces ions dans leur état fondamental sont : Br 5+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 Br 6+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 3d 10 Cette ionisation correspond donc à l arrachage d un électron 4s, la sous-couche 4p ayant été totalement vidée au préalable. En changeant de sous-couche, on entame un niveau d énergie inférieur et l opération est plus difficile, d où une augmentation plus nette de EI 5 à EI 6 par rapport aux premières valeurs (EI 1 à EI 5 ). De la même manière, au niveau de EI 8, on arrache le 8 ème électron. n réalise donc : Br 7+ (g) Br 8+ (g) + e -. r, les configurations électroniques de ces ions dans leur état fondamental sont : Br 7+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 Br 6+ : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 9 Cette ionisation correspond donc à l arrachage d un électron 3d, les sous-couches 4p et 4s ayant été totalement vidées au préalable. n entame à nouveau un niveau d énergie inférieur et l opération est encore plus difficile, d où une augmentation encore plus nette de EI 7 à EI 8 par rapport aux premières valeurs (EI 1 à EI 7 ). 12. Le brome appartient-il à la famille des halogènes (17 ème colonne). 13. n retrouve les numéros atomiques de tous les autres éléments appartenant à la colonne du brome en ajoutant (ou en retranchant) le nombre d éléments de la ligne suivante (ou précédente). 2/6
Z(Cl) = Z(Br)-nombre l éléments dans la ligne 4 = 35-18 = 17 Z(F) = Z(Cl)-nombre l éléments dans la ligne 3 = 17-8 = 9 Z(I) = Z(Br)+nombre l éléments dans la ligne 5 = 35+18 = 53 Z(At) = Z(I)+nombre l éléments dans la ligne 6 = 53+32 = 85 14. Parmi ces éléments, le fluor est le plus électronégatif, c est-à-dire celui qui a la plus grande tendance à attirer à lui les électrons des liaisons covalentes qu il forme avec d autres atomes. En effet, l électronégativité augmente lorsque n diminue, donc en remontant dans une colonne de la classification périodique. Ainsi l halogène le plus électronégatif est celui de la ligne 2 : F (et le moins électronégatif, celui de la ligne 6 : At). Partie 2 : Identifications d éléments dans la classification périodique 1) Je suis l alcalino-terreux le plus électronégatif, je suis donc le Béryllium (Be), ligne 2. (En effet, l électronégativité augmente lorsque l on remonte dans une colonne de la classification.) 2) Les éléments ayant 7 électrons de valence sont ceux des colonnes 7 et 17. Ceux de la colonne 17 possèdent un spin total de ½ (configuration se terminant en np 5 ) et ceux de la colonne 7 un spin de 5/2 dans leur état fondamental d après la règle de Hund (configuration se terminant en nd 5 ). Je suis donc l élément le plus léger de la colonne 7, je suis le manganèse (Mn). 3) Dans la mythologie grecque, Niobée est la fille de Tantale. Sachant que le Niobium se trouve dans la colonne 5, on peut supposer que le Tantale se trouve dans la même famille, donc également dans la colonne 5. Tantale étant le père de Niobée, on peut se dire qu il est plus lourd, donc qu il occupe la case laissée vide dans le tableau précédent à la ligne 6 (colonne 5). 4) Je suis l alcalin le moins électronégatif, je suis donc le Francium (Fr). (En effet, l électronégativité augmente lorsque l on remonte dans une colonne de la classification.) 5) L énergie d ionisation augmente avec Z dans une ligne. La famille d éléments du bloc p qui a l énergie d ionisation moyenne la plus faible est donc celle correspondant à la première colonne du bloc p, soit la colonne 13. L élément recherché est donc le Tallium (Tl) : l élément le plus lourd de cette famille (ligne 6). 6) Les métaux du bloc p se situent au-dessous de la diagonale Al-Po. D autre part, les éléments du bloc p ayant 6 électrons de valence sont ceux de la colonne 16. 3/6
Il n y a donc qu un élément de la colonne 16 pouvant convenir, c est le Polonium (Po). 7) Il n y a qu un lanthanide ayant un spin total de 4 : le Gadolinium (Gd) de configuration à l état fondamental : [Xe] 6s2 5d 1 4f 7. Partie 3 : D après le concours FESIC 2010 Exercice n 1 : Niveaux d énergie de l atome d hydrogène n donne le diagramme énergétique de l atome d hydrogène : 1) Dans son état fondamental, l atome d hydrogène peut absorber un quantum d énergie de 10,2 e pour passer sur son 1 er état excité. RAI Lorsqu il est sur son 2 ème état excité, l atome d hydrogène peut : 2) Absorber un quantum d énergie de 1,9 e pour passer sur son 1 er état excité. FAUX 3) Emettre un quantum d énergie de 12,1 e lorsqu il retourne à son état fondamental. RAI 4) Lorsqu il est sur son 3 ème état excité, l atome d hydrogène peut être ionisé par absorption d un photon de longueur d onde : 8,3 10-7 m. -34 8 hc hc hc 6,62.10 3.10 λ = = = = = 828nm -19 E E E E 1,5 1,6.10 photon niveaux ionisé 3 dont on trouve l ordre de grandeur sans peine sans calculatrice. Exercice n 2 : Le jaune d alizarine Le jaune d alizarine est un indicateur coloré de pka égal à 11. Sa forme acide a une teinte jaune et sa forme basique une teinte rouge. oici l une de ces formes : H N N N fonction carboxylate 1) La forme représentée ci-avant possède une fonction carboxylate. RAI 2) A ph=8, une solution de jaune d alizarine est rouge. FAUX (A ph=8, il est encore sous sa forme acide puisque son pka vaut 11.) 4/6
3) L ion représenté ci-dessus correspond à la forme acide de l indicateur coloré. FAUX (Forme déprotonée au niveau de la fonction acide carboxylique, donc forme basique.) La masse molaire de la forme représentée ci-dessus est égale à 286 g.mol -1. M = 13 M + 5 M + 3 M + 8M = 13 12 + 5 16 + 3 14 + 8 C N H Exercice n 3 : Estérification n fait réagir 30g d acide éthanoïque (CH 3 -CH) avec 74g de butan-1-ol (CH 3 -CH 2 -CH 2 - CH 2 -H). La constante d équilibre de la réaction est égale à 4. 1) Il y a au total 3 autres molécules isomères du butan-1-ol. FAUX (Il y en a bien plus.) 2) L ester obtenu est l éthanoate de butyle. RAI 3) L acide éthanoïque est le réactif en excès. FAUX (n acide = 0,5 mol et n alcool = 1mol) 4) L avancement de la réaction à l équilibre est x f = 1/3 mol. FAUX (n écrit la constante d équilibre, on remplace l avancement par 1/3 et on constate que l on ne trouve pas 4.) Partie 4 : La chimie au service de la dermatologie (d après l énonce du bac de novembre 2009 Nouvelle Calédonie) 1. Étude de la réaction entre l acide monochloroacétique et l eau 1.1. Acide monochloroacétique = acide chloroéthanoïque 1.2. Selon BrØnsted, un acide est une espèce chimique capable de céder un proton H +. 1.3. Équation chimique AH (aq) + H 2 (l ) = A (aq) + H 3 + État du Avancement Quantités de matière (mol) système (mol) État initial x = 0 n(ah) = 5,0 10 3 Excès 0 0 État d'équilibre x éq n(ah) x éq = 5,0 10 3 x éq Excès x éq x éq 1.4. Inventaire des espèces chargées : H 3 + et A (aq) (l espèce H (aq) est négligée). x σ = λ(h 3 + ). [H 3 + ] éq + λ(a ). [A (aq)] éq avec : [H 3 + ] éq = [A (aq)] éq = éq σ = [λ(h 3 + ) + λ(a )]. x éq = σ. λ( H + ) + λ( A ) 3 x éq 1.5. Application numérique : = 100,0 ml = 100,0 10 6 m 3, les autres grandeurs sont déjà exprimées en unités S.I. 6 0,300 100,0 10 x éq = 8 10 4 mol 3 35,0 + 4,0 10 ( ) 5/6
1.6. L eau étant en excès, la réaction est totale si l avancement atteint la valeur x max correspondant à la disparition de l espèce AH (aq) : n(ah) x max = 0, soit : x max = n(ah) =5,0 10 3 mol 8 10 τ 5 10 4 3 τ = x éq x max = 0,15 = 15 % τ < 100% la transformation est non totale, elle est limitée. 2. Détermination de la concentration d acide monochloroacétique contenue dans le médicament 2.1. Solution mère : concentration : c 0 Solution fille : concentration : c 1 = c 0 /100 0 à prélever volume 1 Au cours de la dilution la quantité de matière d acide ne varie pas, soit c 0. 0 = c 1. 1 c0 1 c 0. 0 =. 1, ainsi 0 =. 100 100 Le volume de solution mère à prélever (pipette jaugée) doit être 100 fois plus faible que le volume de solution fille à préparer (fiole jaugée). Seul le lot B répond à cette exigence. 2.2. Titrage acido-basique 2.2.1. Équation de la réaction support du titrage : Cl-CH 2 C 2 H (aq) + H (aq) = ClCH 2 C 2 (aq) + H 2 (l ) ou encore : AH (aq) + H (aq) = A (aq) + H 2 (l ) 2.2.2. À l équivalence, les réactifs ont été mélangés en quantités stœchiométriques : n(h ) versée = n(ah ) initialement présente dans le bécher c B. BE = c 1. 1 2.2.3. n a : c 1 = cb. 1 BE = 0,10 10,6 20,0 = 5,3 10 2 mol.l 1 solution diluée Dans le médicament : c 0 =100.c 1 = 100 5,3 10 2 = 5,3 mol.l 1 3. Réaction parasite possible mettant en jeu l excipient 3.1. Il y a réaction entre le groupe carboxyle de l acide et le groupe hydroxyle de l éthanol, il s agit d une réaction d estérification : Cl-CH 2 -C 2 H + CH 3 CH 2 H = + H 2 (2) Cl CH 2 C CH 2 CH 3 3.2. L estérification est une transformation limitée et lente. 6/6