Chimie générale : Travaux diriges chimie 1 licence
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Télécharger packUniversité d'Alger 1 Faculté des Sciences Département Sciences de la Matière TRAVAUX DIRIGES Chimie 1 LICENCE SM – 1
ère année Année Universitaire 2016/2017 Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 2 Série n°1 : Généralités Exercice 1 1/ Classer les systèmes suivants en corps purs ou mélanges : H2 O ; Cu ; N
2 ; eau-acétone ; eau-huile ; HCl ; limaille de fer-sucre ; eau-plomb ; éthanol-eau-limaille de fer-huile. 2/ Parmi les corps purs de la liste donnée ci-dessus, indiquer ceux qui sont composés. 3/ Classer les mélanges de la liste donnée ci-dessus en homogène et hétérogène, en précisant le nombre de phases présentes dans chacun d’eux. Puis proposer une méthode de séparation pour chaque mélange. Exercice 2 Parmi les unités de la liste suivante, regrouper celles qui se rapportent à la même grandeur physique et faire suivre chacune de son symbole, puis dans chaque groupe, souligner l’unité qui appartient au système international (SI) et exprimer les autres en fonction d’elle. Présenter les résultats sous forme de tableau. Mètre Electron Volt Kilogramme Seconde Millimètre Litre Gramme Torr Atmosphère Picomètre Pascal Mole Litre atmosphère Kelvin Angström Millilitre Joule Minute Micron Mètre cube Nanomètre Tonne Bar Calorie Exercice 3 1/ Combien de chiffres significatifs y a-t-il dans chacun des nombres suivants ? 0,0012 ; 437 000 ; 900,0 ; 106 ; 125 904 000 ; 1, 0012 ; 2006 ; 3050 ; 0,001 060 ; 0,0048 ; 0,00480 ; 4,80 × 10
-3 ; 4,800 ×103 . 2/ En utilisant la notation exponentielle, exprimer le nombre 582 000 000 avec un, deux, trois, cinq et sept chiffres significatifs. 3/ On donne ci-dessous quelques unes des principales constantes et grandeurs physiques : Quantité Symbole Valeur Charge élémentaire e 1,602 176 487 × 10
19 C Constante d’Avogadro N 6,022 141 79 × 10
23 mol1 Constante de Planck h 6,626 068 96 × 10
34 J.s Constante molaire des gaz R 8,314 472 J.K1 .mol1 Vitesse de la lumière c 299 792 458 m.s1 Constante de Rydberg R
H 10 973 731,568 527 m1 Unité de masse atomique u 1,660 538 782 × 10
27 kg Masse de l’électron me 9,109 382 15 × 10
31 kg Masse du proton mp 1,672 621 637 × 10
27 kg Masse du neutron mn 1,674 927 211 × 10
27 kg a/ Indiquer, dans chaque cas, le nombre de chiffres significatifs de la valeur reportée. b/ Réécrire la valeur de : Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 3 - la charge élémentaire avec 2 chiffres significatifs. - la constante d’Avogadro avec 4 chiffres significatifs. - la constante molaire des gaz avec 3 chiffres significatifs. - la vitesse de la lumière avec 1 chiffre significatif. - la constante de Rydberg avec 2 chiffres significatifs. 4/ Effectuer les opérations suivantes et exprimer les résultats avec le nombre de chiffres significatifs approprié : (a) ; (b) 21 + 13,8 ; (c) × 100 (Dans l'opération (c), ont considérera le nombre 100 nombre exact). 5/ Pour déterminer la constante molaire des gaz parfaits R, on mesure la pression P, le volume V et la température T pour une certaine quantité de gaz. Les valeurs obtenues sont : P = 2,560 ; T = 275,15 ; V = 8,8 et sont utilisées dans l’équation
. Calculer R avec le nombre de chiffres significatifs approprié. (Ne pas se préoccuper des unités de R, T, P et V). Exercice 4 1/ Etablir les équations aux dimensions en fonction des grandeurs : masse, longueur, temps, etc... : - de la constante de Planck h sachant que l’énergie transportée par un photon est donnée par la relation : E = h (où représente la fréquence du rayonnement correspondant). - de la permittivité du vide
0 qui apparait dans l’expression de la force d’interaction électrique (loi de coulomb) : F = . 2/ Etablir les dimensions de la constante de Rydberg, RH , définie par : R
H = (où m et e désignent la masse et la charge de l’électron, h la constante de Planck). 3/ La fréquence de la radiation émise ou absorbée au cours d’une transition entre les niveaux d’énergie n et p de l’atome d’hydrogène est calculable par la relation : = ( . Vérifier l’homogénéité de cette relation. Exercice 5 1/ Etablir la relation qui lie le kilogramme (kg) à l’unité de masse atomique (u). 2/ Donner le nombre de moles et la masse (en g et en u) de 1 ,806 x 10
24 atomes de sodium. 3/ Lequel des échantillons suivants contient-il le plus de fer ? - 0,2 moles de Fe2 (SO4 )3 . - 20 g de fer. - 0,3 atome-gramme de fer. - 2,5 × 10
23 atomes de fer. 4/ Un échantillon d’oxyde de cuivre CuO a une masse m = 1,59 g. Combien y-a- t-il de moles et de molécules de CuO, d’atomes de Cu et d’atomes de O dans cet échantillon ? 5/ Une boite de sucre contient 1 kg de saccharose de formule C12 H22 O11 . - Quelle est la quantité de matière correspondante ? - Quel est le nombre n de molécules de saccharose dans cette boite ? - En déduire la masse d’une molécule de saccharose. Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 4 Règles permettant de déterminer le nombre de chiffres significatifs 1) Tout nombre entier différent de zéro doit être considéré comme un chiffre significatif. 2) Les zéros qui précèdent les chiffres différents de zéro ne sont pas des chiffres significatifs. (Exemple : dans le nombre 0,00014 ; les 0 ne sont pas des chiffres significatifs, il y a 2 chiffres significatifs, les zéros permettent d’indiquer la position de la virgule décimale) 3) Les zéros captifs, c'est-à-dire les zéros placés entre 2 chiffres différents de zéro sont toujours des chiffres significatifs. (Exemple : dans le nombre 1,0004 ; il y a 5 chiffres significatifs) 4) Les zéros de la fin, c'est-à-dire les zéros placés à la droite du nombre : a) si le nombre comporte une virgule décimale, les zéros de la fin sont toujours des chiffres significatifs. (Exemple : dans le nombre 0,14000 ; il y a 5 chiffres significatifs). b) si le nombre ne comporte pas de virgule décimale, les zéros peuvent être ou pas significatifs, selon le contexte. (Exemple : dans le nombre 14 000 ; il peut y avoir 5, 4, 3 ou 2 chiffres significatifs selon la précision avec laquelle a été faite la mesure. Mais pour qu’il n’y ait pas d’ambiguïté, il vaut mieux écrire 14×10
3 pour préciser que 2 chiffres sont significatifs ; 14,0×10
3 pour préciser que 3 chiffres sont significatifs ; 14,00×10
3 pour préciser que 4 chiffres sont significatifs ; et 14,000×10
3 pour préciser que les 5 chiffres sont significatifs). 5) On ne détermine pas de chiffres significatifs dans les nombres exacts. 6) Le résultat d’une multiplication ou d’une division a autant de chiffres significatifs que la mesure la moins précise. (Exemple : dans le calcul 3,2 × 1,256 = 4,0192 ; le terme limitant (3,2) n’a que 2 chiffres significatifs, le résultat ne doit compter que 2 chiffres significatifs et le résultat doit s’écrire 4,0). 7) Dans le cas des additions et des soustractions, on prend en compte les décimales (nombre de chiffres à la droite de la virgule décimale) au lieu des chiffres significatifs. Le résultat doit avoir autant de décimales que la mesure la moins précise. (Exemple : dans le calcul 3,2 + 1,256 + 27,2151 + 30,01 = 61,6811; le terme limitant (3,2) n’a qu’une décimale, le résultat ne doit compter qu’une seule décimale et le résultat doit s’écrire 61,7). 8) Dans une série de calculs, on doit conserver les chiffres supplémentaires jusqu’au résultat final ; après quoi on peut arrondir le résultat pour obtenir le nombre adéquat de chiffres significatifs. Pour arrondir un nombre, deux cas peuvent se présenter : a- si le chiffre à éliminer est inférieur à 5, le chiffre précédent reste le même. b- si le chiffre à éliminer est supérieur ou égal à 5, le chiffre précédent est majoré de 1. (Exemple : pour arrondir 5,325 à 2 chiffres significatifs, on doit donner le résultat 5,3 ; et pour l’arrondir à 3 chiffres significatifs, on doit donner le résultat 5,33). Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 5 Tableau des unités fondamentales du Système International (SI) Grandeur Nom Symbole Dimension Longueur Mètre m L Masse Kilogramme kg M Temps Seconde s T Intensité du courant électrique Ampère A I Température thermodynamique Kelvin K
Quantité de matière Mole mol N Intensité lumineuse Candela cd J Les sept grandeurs de base du SI ont chacune sa propre dimension, représentée symboliquement par une seule lettre majuscule sans empattement. Toutes les autres grandeurs sont des grandeurs dérivées, qui peuvent être exprimées en fonction des grandeurs de base à l’aide des équations de la physique. Les dimensionsdes grandeurs
dérivéessont écritessous laforme de
produits de puissances des dimensions des grandeurs de base au moyen des équations qui relient les grandeurs dérivées aux grandeurs de base. En général la dimension d’une grandeur Q s’écrit sous la forme d’un produit dimensionnel : dim Q = [Q] = L
α M
β T
γ I
δ Θ
ε N
ζ Jη où les exposants α, β, γ, δ, ε, ζ et η, qui sont en général de petits nombres entiers, positifs, négatifs ou nuls, sont appelés exposants dimensionnels. Conversion des unités SI en unités cgs Grandeur physique SI cgs Conversion Longueur m cm 1m = 10
2 cm Masse kg g 1kg = 10
3 g Temps s s Force N dyn 1 N = 10
5 dyn Energie J erg 1 J = 10
7 erg Pression Pa (ou N/m2 ) Ba (Barye) ou bien dyn/cm
2 1 Pa = 10 Ba Charge C (Coulomb) Fr (franklin) ou (esu, Gau) 1 C = 2,998 10
9 Fr Densité kg/m
3 g/cm
3 1 kg/m
3 = 10
3 g/cm
3 Vitesse m/s cm/s 1 m/s = 10
2 cm/s Préfixes utilisés avec les unités SI Facteur Nom Symbole Facteur Nom Symbole 10
24 Yotta Y 10
1 Déci d 10
21 Zetta Z 10
2 Centi c 10
18 Exa E 10
3 Milli m 10
15 Péta P 10
6 Micro 10 12 Téra T 10
9 Nano n 10
9 Giga G 10
12 Pico p 10
6 Méga M 10
15 Femto f 10
3 Kilo k 10
18 Atto a 10
2 Hecto h 10
21 Zepto z 10
1 Déca da 10
24 Yocto y Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 6 Série n°2 : Structure de l'atome – Radioactivité Exercice 1 1/ Que représentent A et Z dans le symbole du nucléide . 2/ Donnez le nombre de protons, d’électrons et de neutrons des atomes et ions suivants : ; + ; - ;
; 2 ;
;; ; + ;; 2+ ;; 3+ ; 3/ Quels sont les groupes d’isotopes parmi les atomes ci-dessus ? 4/ Les ions -2, -
, + et l’atome d’argon
sont isoélectroniques ? Expliquer. Exercice 2 Compléter le tableau suivant : Elément Symbole Charge Protons Neutrons Electrons Z A Calcium 0
20 40 9
F 10
Uranium 0 146 92 222Rn 86 Chlore 0 18 17
Argent +1 46 108 127
I 5352 Cr3+ 21Soufre 16 18 16Ar 2+ 18 16 40 2
Oxygène 17O 8 Titane 0 26 22
Exercice 3 1/ Si on dit, à propos de l’ion Bi3+ , qu’il possède 127 neutrons, 83 protons, 81 électrons et 210 nucléons. Quelles sont les données certainement exactes, éventuellement exactes et certainement fausses ? 2/ Le lithium naturel est un mélange de deux isotopes 6
Li et 7
Li, dont les masses atomiques relatives sont respectivement 6,015 u et 7,016 u. Sa masse atomique est égale à 6,941 u. Quelle est sa composition isotopique ? 3/ L’indium est un mélange de cinq isotopes : 111
In, 112
In, 113
In, 114
In et 115
In. Mais, il est formé en presque totalité de deux seulement de ces isotopes et sa masse atomique est égale à 114,818 u. L’un de ces deux isotopes étant 113
In, quel est l’autre ? Exercice 4 Dans la nature, le carbone est formé d’un mélange d’isotopes 11
C (11,011434) ; 12
C (12,000000) ; 13
C (13,003355) et 14
C (14,003242). 1/ Quel isotope estimez-vous le plus stable ? 2/ Vérifier votre réponse en calculant les énergies de liaison par nucléon. Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 7 3/ 11
C et 14
C sont des isotopes radioactifs qui existent à l’état de traces et les proportions relatives des isotopes non radioactifs sont : 12
C : 98,93 % et 13
C : 1,07 %. Quelle est la masse molaire du carbone ? Donner le résultat avec 6 chiffres significatifs. Données : m
p = 1,007276 u ; m
n = 1,008665 u ; c = 3 × 10
8 m.s
1 ; 1 eV = 1,6 × 10
19 J. Exercice 5 Compléter les réactions nucléaires suivantes et préciser si c’est une radioactivité naturelle ou artificielle : 1/
..... + α 5/
+ α
..... +2/ +
..... +6/ +
..... +
3/ 4
..... + 2 β
+ 7/
.....α + .....β
+4/ +
..... ..... + β 8/
(α ,...); (p, n) ... Exercice 6 Soit la réaction nucléaire suivante :+
+ ..... 1/ Compléter cette réaction et indiquer sa nature. 2/ Cette réaction absorbe-t-elle ou dégage-t-elle de l’énergie ? Donner en MeV la valeur de l’énergie échangée. 3/ Quelle doit être la vitesse minimale des particules pour que cette réaction ait lieu ? Données : 4
He = 4,002603 u ; 14
N = 14,003074 u ; 17
O = 16,999132 u ;
c = 3 × 10
8 m.s
1 ; 1 eV = 1,6 × 10
19 J. Exercice 7 Le thorium
se désintègre pour donner du radium
. 1/ Ecrire la réaction de désintégration et donner la nature de la particule émise. 2/ Rappeler la notion de famille radioactive et vérifier que le radium 228 appartient à la famille du thorium 232. Exercice 8 1/ L’isotope radioactif
, noté A, se désintègre spontanément par radioactivité et donne un atome B non radioactif. a/ Ecrire la réaction nucléaire correspondante. b/ Etablir l’expression du nombre de noyaux de A, NA , présents à un instant t, sachant qu’à l’instant initial t
0 il y a noyaux de A et zéro noyaux de B. c/ Calculer la masse de polonium restant au bout de 190 jours à partir d’un échantillon de masse initiale m
0 = 0,1 mg. (T = 4,285 jours). 2/ L’isotope 131 de l’iode, utilisé en médecine, se désintègre par radioactivité β . a/ Ecrire la réaction nucléaire correspondante. b/ Sa demi-vie étant de 8 jours, combien reste-il d’un échantillon d’iode131, au bout de 4 jours, 8 jours et 16 jours, s’il est initialement constitué de 10
10 atomes ? Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 8 3/ Le chlore
est radioactif et se désintègre essentiellement en argon
. Sa demi-vie est de 301000 ans. On considère un échantillon contenant 5,7.10
-4 mol de chlore36 à la date t=0.
a/ Ecrire la réaction de désintégration en précisant les lois utilisées, le type de radioactivité mise en jeu et la nature de la particule émise lors de la désintégration. b/ Calculer en MeV, l'énergie de liaison E
L d'un noyau de
. c/ Quelle est l'activité de l'échantillon à t=0. d/ Quel est le nombre de noyaux désintégrés au bout de t
1/2 ? Données : m(proton) = 1,67262.10
-27 kg ; m(neutron) = 1,67492.10-27 kg ; m(36 Cl) = 59,71128.10
-27 kg
1eV = 1,602. 10
-19 J ; c = 2,998.10
8 m.s
-1 , N = 6,02.10
23 mol-1 . Exercice 9 1/ L’isotope radioactif 14
C est constamment formé par bombardement de l’azote atmosphérique par les neutrons cosmiques. Ecrire la réaction nucléaire de formation du 14
C. 2/ Le carbone 14 combiné à l’oxygène sous forme de 14CO 2 participe au cycle de la matière vivante et sa concentration dans celle-ci se maintient constante tant que l’organisme est vivant. Après sa mort, la proportion de carbone 14, diminue car l’isotope 14
C est radioactif . Ecrire la réaction nucléaire de désintégration du 14
C et calculer sa constante radioactive sachant que sa période T = 5730 ans. 3/ La datation au carbone 14 est une méthode utilisée, entre autre, pour déterminer l’âge de pièces archéologiques. Deux exemples sont donnés ci-dessous : Exemple 1 : L’activité d’un prélèvement de matière organique sur un objet préhistorique est A = 1180 dps. L’activité actuelle d’une même quantité de la matière organique prélevée est A
0 = 1980 dps. Déterminer l’âge de l'objet préhistorique. Exemple 2 : Le charbon de bois provenant d’une grotte préhistorique contient 14,5 % de 14
C par rapport à de la matière vivante. Quel est l'âge de ce charbon de bois ? Problème A/ L’uranium est un mélange d’isotopes : (233.0396352) et
(236.0455680) à l’état de traces ; (234.0409521) : 0,0054 % ; (235.0439299) : 0,7204 % ; (238.0507882) : 99,2742 % ; Calculer la masse molaire de l’uranium avec le nombre de chiffres significatifs approprié. B/ Le noyau de l’isotope
se transforme par désintégration radioactive en
. 1/ Combien de particules et sont-elles émises ? 2/ La période de désintégration de l’uranium
est de 4,5 × 10
9 années. Calculer . 3/ Calculer le temps au bout duquel 90 % de l’élément se désintègre. 4/ Peut-on dire que le radium 228 appartient à la famille radioactive de l’uranium 238 ? C/ L’explosion nucléaire d’Hiroshima a nécessité 2kg de l’isotope 235
U et a libéré une énergie totale de 1,646 × 10
14 J. Calculer la masse de matière restante après cette réaction de fission. D/ Un minerai d’uranium contient 3,5 g d’uranium 238
U et 1,5 g d’un mélange isotopique de plomb composé de 30 % de 208Pb et de 70 % de 206
Pb. Sachant que le 206
Pb provient exclusivement de la désintégration de l’238 U, déterminer l’âge du minerai. Université d'Alger 1. Faculté des Sciences. LIC. SM. Chimie.1
Année Universitaire 2016/2017 9 Série n°3 : Quantification de l’énergie Exercice 1 1/ Toute surface métallique soumise à un rayonnement de fréquence suffisamment élevée émet des électrons : c’est l’effet photoélectrique. a/ Définir la fréquence seuil d’un métal ?
b/ Définir le potentiel d’arrêt d’une cellule photoélectrique ? c/ Définir le travail d'extraction d'un électron en appliquant le principe de conservation de l’énergie. 2) Une cellule photoélectrique au césium est éclairée successivement par deux radiations, l'une orange de longueur d'onde
1 = 0,60 m, l'autre rouge de longueur d'onde
2 = 0,75m. L’énergie minimale pour extraire un électron de la cathode est E
0 = 3,0.10
-19 J. a/ Calculer la fréquence seuil
0 du césium. La radiation correspondante est-elle visible ? b/ Pour laquelle des radiations
1 ou
2 y-a-t-il effet photoélectrique ? c/ Calculer, dans le cas où il y a effet photoélectrique, la vitesse maximale des électrons arrachés au métal. 3/ On éclaire une cellule photoélectrique par un faisceau lumineux monochromatique de fréquence et on mesure le potentiel d'arrêt U
0 de la cellule. L'opération est répétée plusieurs fois en utilisant diverses radiations. On obtient les résultats suivants : (THz) 518 549 588 617 641 678 691 731 U
0 (V) 0,042 0,171 0,332 0,452 0,550 0,706 0,758 0,924 a/ Tracer la courbe de variation de U
0 en fonction de la fréquence . b/ Donner la relation entre le potentiel d'arrêt U0 , le travail d'extraction d'un électron de la cathode W
0 et l'énergie des photons incidents E. c/ Déterminer graphiquement la constante de Planck et le travail d'extraction W0 . d/ On donne ci-dessous la fréquence seuil
0 de différents métaux. Indiquer, parmi ces métaux, lequel a servi de cathode dans la cellule photoémissive utilisée. Métal Cs K Be Ti Hg Pd
0 (Hz) 4,58 × 10
14 5,31 × 10
14 9,41 × 10
14 9,89 × 10
14 1,08 × 10
15 1,21 × 1015 Exercice 2 1/ Calculer les rayons du premier et du second niveau de l’atome d’hydrogène et des ions hydrogénoïdes : 2He + ; 3Li 2+ ; 5B 4+
. 2/ Calculer la vitesse de l’électron dans la première orbite pour l’atome d’hydrogène et pour les ions : 2He + ; 3Li 2+ ; 5B 4+
.