Chimie générale : Polycop tds liaison chimique
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1 - PC – SPI - SPA ANNEE UNIVERSITAIRE 2014/2015 UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 1 SOMMAIRE QUELQUES REMARQUES ............................................................................................... 2 CONSTANTES UNIVERSELLES ...................................................................................... 3 CONVERSION DES UNITÉS ............................................................................................. 3 TD N°1 - LES ELEMENTS ................................................................................................. 4 TD N°2 - SPECTRE DE L’ATOME D’HYDROGENE ......................................................... 6 TD N°3 - DESCRIPTION QUANTIQUE DE L'ATOME ....................................................... 7 TD N°4 - CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS .......................................... 9 DOCUMENTS SUR LEWIS ET V.S.E.P.R ....................................................................... 14 TD N°5 - LIAISON CHIMIQUE ......................................................................................... 15 TD N°6 - STÉRÉOCHIMIE ............................................................................................... 17 TD N° 7 - INTERACTIONS MICROSCOPIQUES ............................................................. 21 TD N°8 - ETAT SOLIDE ................................................................................................... 26 PARTIELS ET EXAMENS................................................................................................ 30 PARTIEL N°1 – Octobre 2013 (1h30) ............................................................................. 30 PARTIEL N°2 – Novembre 2013 (1h30) ......................................................................... 31 PARTIEL N°3 – Janvier 2014 (2h) .................................................................................. 32 UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 2 QUELQUES REMARQUES CHIMIE : Note La note de chimie sera constituée des notes des "petites interrogations" (15-30 min maxi) et du contrôle continu. Le contrôle continu (obligatoire) comporte 3 devoirs surveillés. Toute absence à un devoir (pour raison médicale ou familiale grave) doit être justifiée auprès de l'enseignant responsable et du secrétariat, dans la semaine qui suit. En cas contraire la note attribuée est "zéro". Note de chimie = 25%*note du DSn°1 + 25%*note du DSn°2 + 25%*note du DSn°3 + 25%*moyennes des notes des "petites interrogations" Travail personnel Les "petites interrogations" seront soit des questions de cours, soit des applications directes du cours et auront lieu en début de séance. Vous serez prévenus.
Nous avons placé en tête de chaque TD un encadré dans lequel sont rassemblées les connaissances indispensables avant d'aborder la séance, ainsi que les savoir faire que vous êtes censés acquérir. Ces encadrés ne sont là que pour vous aider à vous organiser et ne se substituent en aucun cas au programme du S1 , basé sur l'ensemble du cours et des travaux dirigés. Les exercices sont à chercher avant de venir en TD. Vous trouverez, à la fin du polycopié, les 3 sujets des partiels de l'année précédente. Vous aurez ainsi une idée de ce que l'on vous demande dans un devoir et vous pourrez les faire pour réviser. Nous vous engageons à travailler ces exercices pour vous tester. Les enseignants seront toujours disponibles pour vous aider si vous rencontrez, à cette occasion, des difficultés. Il est important que vous preniez l’habitude de travailler à l’aide des livres disponibles à la bibliothèque ou des informations disponibles sur le net (comme l'université en ligne). Si vous utilisez internet comme source d’information, assurez vous que les sites que vous visitez ont été créés par des personnes compétentes dans le domaine de la chimie. Vous prendrez soin également de prendre note de l'origine de vos sources bibliographiques (auteurs, titre, page, édition et année ou adresse du site internet) Bibliographie : ATKINS - Chimie générale. InterEditions ARNAUD, Paul - Cours et exercices corrigés de chimie physique 6
ième édition. Dunod GRÉCIAS - Chimie Sup.PCSI. Tec et Doc. J.C.MALLET ET R.FOURNIER - Cours de chimie. Maths sup. Dunod, Collection j’intègre J.C.MALLET ET R.FOURNIER - Cours de chimie 2
è année. Dunod, Collection j’intègre DURUPTHY, CASALOT, JAUBERT, MESNIL - Chimie I. Hachette Cette liste n’est en aucun cas limitative...Vous trouverez en bibliothèque une grande variété d’ouvrages relatifs aux programmes des classes préparatoires aux grandes écoles. BON COURAGE ! UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 3 CONSTANTES UNIVERSELLES Nom Symbole Valeur Vitesse de la lumière dans le vide c ou c
0 299 792 458 m.s-1 Constante de Planck h 6,6260693(11) ×10
-34 J.s Constante de Planck/ 2 1,05457168(18) ×10
-34 J.s Charge élémentaire e 1,60217653(14) ×10
-19 C Constante universelle des gaz R ou R
0 8,314472(15) J.K-1 .mol-1 Constante d'Avogadro N
A ou L 6,0221415(10)×10
23 mol-1 Unité de masse atomique u 1,66053886(28)×10
-27 kg Constante de Rydberg R
∞ 1,0973731568525(73) ×10
7 m-1 Masse du proton m
p 1,67262171(29)×10
-27 kg Masse du neutron m
n 1,67492728(29) ×10
-27 kg Masse de l'électron m
e 9,1093826(16)×10
-31 kg Rayon de Bohr a
0 5,291772108(18)×10
-11 m Le nombre entre parenthèses représente l'incertitude sur les derniers chiffres. Par exemple : 6,67259(85)×10- 11 signifie 6,67259×10
-11 +/- 0,00085×10
-11 . CONVERSION DES UNITÉS Nom Symbole Equivalence micron μ = 10-6 m = 1 μm ångström Å = 10-10 m = 0,1 nm année-lumière = c
0 × (86400 × 365,25) s ≈ 9,460730473 × 10
15 m parsec pc = 648000 / π UA ≈ 206 264,8 UA (unité astronomique = la distance moyenne de la Terre au Soleil. Une UA vaut 149 597 871 km) ≈ 3,26156 année-lumière ≈ 3,085677 × 10
16 m tonne t = 1000 kg atmosphère atm = 101 325 Pa bar bar = 100 000 Pa millimètre de mercure mmHg 133,3224 Pa celsius °C T[°C] = T[K] - 273,15 fahrenheit °F T[°C] = 5 / 9 ( T[°F] - 32 ) rydberg R
y ≈ 2,17987 × 10
-18 J calorie I.T. cal
IT = 4,1868 J becquerel Bq = 1 s-1 curie Ci = 3,72 × 10
10 Bq UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 4 TD N°1 - LES ELEMENTS Connaissances indispensables : Symbolisme ZA X et les définitions de A et Z Isotopes Masses molaires atomiques, masses molaires des éléments, unité de masse atomique, définition de la mole Savoir faire : Obtenir les informations de ZA X
Calculs relatifs aux abondances isotopiques Exercice 1 Donner la composition des particules symbolisées ci-dessous : H3 1
; C14 6 ; F19 9; Mg24 12 ;Pb 207
82 ;Pb 208
82 ; Pu242 94; F 199 ; Na23 11 ; 35626 Fe; 220482 Pb
Exercice 2 L’Uranium a pour numéro atomique 92 et existe essentiellement, à l'état naturel, sous la forme de deux isotopes : 235
U et 238
U. 1. Donner la définition de l’unité de masse atomique et calculer sa valeur en g. 2. Calculer les masses molaires atomiques de chacun des isotopes en g.mol-1 . 3. Déterminer la proportion de 235
U dans l’uranium naturel. Données : Masse molaire de l’élément : M(U) = 238,0289 g mol-1 Masses atomiques : m(235 U) = 235,0439 u ; m(238 U) = 238,0508 u Exercice 3 L'élément magnésium, dont la masse molaire est M(Mg) = 24,305 g.mol-1 , a trois isotopes stables et un isotope instable ayant une période radioactive T = 21 h. 1. L'isotope 4 est associé à l'isotope instable car il a une abondance de 0. Justifier. 2. Compléter le tableau suivant. Isotope 1 2 3 4 Masse molaire/g.mol
-1 24,986 25,983 27,984 Abondance 10,00 % 11,01 % 00,00 % Nombre de masse 24
3. Pour l’isotope 24
Mg, calculer la somme des masses (en u) des particules constituant l’atome. Comparer à la masse atomique de l’isotope. Conclure.
Exercice 4 Le chlore naturel est un mélange de deux isotopes, 35
Cl et 37
Cl, dont les abondances respectives sont 75% et 25%. En conséquence, la masse molaire de l’élément chlore est de 35,5 g.mol
-1 et la masse molaire du dichlore est 71 g.mol-1 . Mais de même qu’il n’existe pas d’atomes de masse 35,5 u, il n’existe pas de molécules de dichlore de masse 71 u. Le dichlore est un mélange de molécules ayant les diverses compositions isotopiques possibles. 1. Combien existe-t-il de types différents de molécules de Cl
2 ? 2. Quelles sont leurs masses molaires (en g.mol-1 ), et leurs proportions relatives dans le dichlore naturel ? Données : Masses atomiques : m(35 Cl) = 34,9688 u ; m(37 Cl) = 36,9659 u UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 5 Exercice 5 : Les isotopes dans les cheveux permettent de résoudre des énigmes policières D’après fr/2011/09/introlabo-les-isotopes-dans-les-cheveux-permettent-de-
resoudre-des-enigmes-policieres/ Nous vous proposons de lire un document et ensuite de répondre à des questions. Document : Les scientifiques En 2001, on a découvert le cadavre d’une femme au centre-ville de Montréal. Surnommé Madame Victoria, il avait reposé près de l’Hôpital Royal Victoria pendant deux ans avant qu’on ne le trouve. La police ne disposait d’aucun indice pour lancer l’enquête, et l’affaire a été classée comme non résolue. Cinq ans plus tard, des chercheurs de l'université d’Ottawa ont entrepris des recherches pour mettre la spectrométrie de masse isotopique au service des responsables de l’application de la loi. Après cinq années de travail, ils peuvent maintenant déterminer les lieux où les personnes (même des cadavres en décomposition comme madame Victoria, datant de plus de dix ans) se sont récemment retrouvées, et ce, grâce à l’analyse isotopique. La science Les aliments que nous mangeons et l’eau que nous buvons et l'air que nous respirons sont constitués d’atomes ; ceux-ci se présentent sous diverses formes, connues sous le nom d’isotopes. Par exemple, l’hydrogène possède deux isotopes stables (l’hydrogène-1 commun et l’hydrogène-2 rare) tandis que l’oxygène en possède trois (oxygène-16 commun, oxygène-17 et oxygène-18 rares). Nos corps assimilent ces isotopes. La présence isotopique n’est pas partout la même sur le territoire. L’analyse d’isotopes stables peut montrer des différences liées aux lieux de vie. De plus, les cheveux d’une personne donnent plus de renseignements que les tissus ordinaires. Puisqu’ils poussent d’environ 1 cm par mois, les cheveux gardent en quelque sorte la mémoire des lieux à travers le temps et finissent par procurer à la police des années de renseignements. La solution Grâce à la base de données dressant la carte des rapports isotopiques de tout le pays, il est possible d'établir le chemin qu'a parcouru une victime avant sa mort, ou un suspect, dans le cas où ses cheveux sont découverts sur les lieux du crime. Questions 1. Qu'est-ce qu'un isotope stable ? Qu'est-ce qu'un isotope "instable" ? 2. Rechercher une autre application de l'analyse isotopique utilisant des isotopes stables (réponse brève mais claire). Vous citerez bien sûr vos sources. 3. Rechercher une autre application de l'analyse isotopique utilisant des isotopes instables en citant également vos sources. Règles de citation des sources : - Site web : adresse du site, date de consultation du site. - Livre : noms des auteurs, titre, éditeur, année d’édition. UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 6 TD N°2 - SPECTRE DE L’ATOME D’HYDROGENE Exercice 1 On étudie la série de Paschen du spectre d’émission de l’hydrogène. Cette série correspond aux radiations émises lorsque l’atome passe d’un état excité m (m>3) à l’état excité n=3. 1. A l’aide d’un diagramme énergétique, représenter 3 transitions possibles de cette série. 2. Donner pour cette série, la relation entre la longueur d’onde du rayonnement émis, la constante de Rydberg R
H et m, avec R
H = 1,097.10
7 m-1 . 3. Déterminer la plus grande longueur d’onde de cette série. 4. Dans quel domaine du spectre électromagnétique se situe ce rayonnement ? 5. Déterminer l’énergie d’extraction d’un électron d’un atome d’hydrogène excité au niveau m=3 (énergie minimale qu’il faut fournir pour ioniser un atome H excité au niveau 3). On la donnera en eV et en J. 6. Déterminer l’énergie totale nécessaire à l’extraction des électrons de 1 mol d’atome d’hydrogène (m=3). On l’exprimera en kJ.mol-1 . Exercice 2 Les énergies de l'électron dans l'atome d'hydrogène sont données par E n An 2
A est une constante dont vous donnerez la valeur en eV et n un entier strictement positif. 1. Que veut dire " L’énergie de l’électron dans l’atome d’hydrogène est quantifiée " ? Qu’est ce qui, dans le spectre de l’atome d’hydrogène, justifie cette phrase ? 2. On considère la transition électronique du niveau fondamental vers le niveau d'énergie de nombre quantique n=4. 2.1 Représenter cette transition sur un diagramme énergétique de l'atome d'hydrogène. 2.2 En expliquant clairement votre démarche, établir l'expression de la longueur d'onde
4,1 du photon absorbé lors de cette transition. Faire l'application numérique. 3. A partir du niveau excité précédemment atteint, quelles sont les longueurs d'onde des photons que peut émettre l'atome ? (Vous vous limiterez aux désexcitations partant du niveau n=4). Vous représenterez ces transitions sur le diagramme précédent et vous indiquerez à quel domaine du rayonnement électromagnétique elles appartiennent. 4. L'atome est de nouveau dans son état fondamental. Il absorbe un photon de longueur d'onde = 88,5.10
-9 m. Que se passe t-il ? Justifier clairement. Exercice 3 1. Rappeler la définition d’un ion hydrogénoïde. 2. On rappelle que l’énergie d’un ion hydrogénoïde peut se mettre sous la forme : E n Eo Z2 n
2 avec E
o = 13,6 eV et n un entier naturel non nul. On crée expérimentalement un ion hydrogénoïde à partir d’un gaz de lithium (3 Li) soumis à un rayonnement lumineux. 2.1 Quel est l’ion hydrogénoïde obtenu ? 2.2 Calculer l’énergie d’ionisation de cet ion hydrogénoïde. 2.3 On étudie la série de raies qui correspondent à la desexcitation d'un niveau m vers le niveau n = 5. Etablir l’expression de la longueur d’onde
m,5 d’une raie de cette série. 2.4 Déterminer, pour cette série de raies,
max et min . En prenant comme critère de visibilité 750 nm > > 400 nm, donner les transitions de cette série qui correspondent à des raies du visible. Connaissances indispensables : Obtention des spectres atomiques Analyse du spectre de l'hydrogène (discontinuité, séries...), relation de Rydberg E(H)= -13,6/n
2 eV, énergie d’ionisation
Hydrogénoïde Savoir faire : Etre capable de situer une radiation dans le domaine électromagnétique (UV, IR,...) Maîtriser la relation E=h=hc/ pour un photon Applications de la relation de Rydberg, passage des longueurs d'ondes aux énergies UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 7 2s 2p 2s 2p 2s 2p 2s 2p 2s 2p 2s 2p TD N°3 - DESCRIPTION QUANTIQUE DE L'ATOME Connaissances indispensables : les nombres quantiques, leurs relations et leur signification notion d'orbitale atomique notion de densité électronique Diagramme énergétique des atomes polyélectroniques Les règles d'élaboration d'une configuration électronique Savoir faire : représentation des OA Ecrire les configurations électroniques des atomes Exercice 1 Rappeler quels sont les quatre nombres quantiques. Comment leurs valeurs sont-elles liées ? Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses ?
a) Si l = 1, l’électron est dans une orbitale d.
b) Si n = 2, m
l peut être égal à -1.
c) Pour un électron d, m
l peut avoir la valeur 3.
d) Pour un électron d, m
s peut être égal à 2.
e) Si l = 2, la sous-couche correspondante peut recevoir au plus 10 électrons.
f) Le nombre n d’un électron d’une sous-couche f peut être égal à 3. Exercice 2 Parmi les schémas d’occupation des cases quantiques (orbitales) ci-dessous, indiquer ceux qui peuvent représenter l’état fondamental d’un atome dont la couche de valence correspond à n=2 (la couche plus interne étant complète). Justifier brièvement votre réponse. Exercice 3 La spectroscopie de photoélectrons (notée ESCA pour Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) est une technique expérimentale permettant de déterminer l’énergie d’extraction d’un électron. Par la suite, nous assimilerons cette énergie à celle d’un niveau ou d’un sous niveau électronique. Un faisceau de rayons X d’énergie h bien déterminée bombarde une vapeur atomique. Son énergie est suffisante pour arracher un électron quelconque d’un atome en lui communiquant une énergie cinétique Ec .; si E
ext est l’énergie d’extraction d’un électron, la conservation de l’énergie permet d’écrire h = E
ext + Ec . Les électrons arrachés sont ensuite « triés » en fonction de leur énergie cinétique par un système électrostatique et un détecteur approprié permet de déterminer le nombre d’électrons d’énergie cinétique donnée (et connue) émis par seconde. La connaissance de h et de Ec permet donc de déterminer l’énergie d’arrachement des différents électrons, donc leur niveau d’énergie initiale et par conséquent les niveaux d’énergie de l’atome. On peut ainsi reconstituer un spectre des énergies d’extraction constitué de pics dont les aires sont proportionnelles aux nombres d’électrons contenus dans les différents niveaux (voir spectre du sodium ci-
dessous). UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 8 1. Calculer les énergies d’extraction des électrons du sodium en eV. Après avoir écrit la configuration électronique de l'atome de sodium, prévoir les intensités relatives des différents pics (on attribuera la valeur d'intensité 1 au pic le plus petit). 2. Le spectre des photoélectrons du scandium comporte 7 pics dont les caractéristiques sont données dans le tableau ci-dessous : E
ext en MJ.mol
-1 433 48,5 39,2 5,44 3,24 0,77 0,63 Intensité relative 2 2 6 2 6 1 2 Attribuer chaque pic à une sous-couche. Donner la configuration électronique fondamentale de l’ion Sc+ . Exercice 4 Donner la configuration électronique fondamentale des atomes et ions suivants : Si, S, Ar, Ca, V, Fe, Cr, Cu, Eu, F- , S2- , Fe3+ , Ti2+ , Cu+ , Zr+ Représenter les cases quantiques des sous-couches non saturées. UPEM - CHIMIE – S1 -PC-SPI-SPA – Travaux dirigés - 1
er sem 14/15 9 TD N°4 - CLASSIFICATION PERIODIQUE DES ELEMENTS Connaissances indispensables : Eléments des trois premières lignes de la classification périodique Principe de construction du tableau périodique Familles classiques Définition et évolution des propriétés : charge nucléaire effective, rayon covalent, de Van der Waals, énergie d'ionisation, affinité électronique. Savoir faire : Savoir interpréter l'évolution des propriétés Comparer des rayons ioniques entre eux Comparer des rayons ioniques et des rayons atomiques QUELQUES DEFINITIONS Charge nucléaire effective "vue" par un électron La charge nucléaire effective "vue" par un électron, c'est la charge du noyau fictif qui exercerait, seul, sur l'électron étudié, la même attraction, que celle résultant de la superposition de l'attraction du noyau réel et des répulsions des autres électrons. Cette charge est notée Z*.e avec Z*, numéro atomique effectif (Zi * = Z –
i où
i est la constante d'écran vue par l'électron étudié i)
i est calculé à l’aide des règles de Slater. Rayon de covalence Dans une molécule diatomique A2 , on définit le rayon de covalence comme la moitié de la distance entre les noyaux des deux at