Exercices
d’atomistiques (DEUG 1ère année)
Voir aussi « TD Acide-Base
(avec corrigés) »
12 séances d’1h30 (S1 à
S12)
Prof.
Jean-Christophe Valmalette
COMMENT TRAVAILLER ?
Vous
trouverez ci-dessous une centaine d’exercices regroupés suivant les différents
chapitres du cours. Ces exercices s’adressent
bien évidemment aux étudiants qui auront
étudié leur cours au préalable. Ils doivent vous permettre premièrement de
vérifier que celui-ci est bien acquis (rappel des notions indispensables en début
de chapitre &
exercices notés « COURS ») et deuxièmement de
faciliter la compréhension de certaines notions au moyen d’exercices plus ou
moins délicats, dont plusieurs sont issus d’examens des années antérieures.
Enfin, pour vous aider dans vos révisions, vous trouverez également des
questions supplémentaires (en italique) très similaires aux exercices
précédents.
Nous
vous mettons en garde : l’atomistique est une discipline non triviale qui ne peut reposer sur la seule mémorisation
du cours. Elle fait appel à de nouvelles notions difficiles à acquérir et à
maîtriser, qui reposent, pour l’essentiel, sur ces théories du début du XXe
siècle qui ont bouleversé toutes les disciplines de la physique à la biologie.
Nous vous souhaitons bon voyage dans cette exploration de l’infiniment petit
qui vous permettra de mieux comprendre le monde visible qui vous entoure.
JCV
NB : Le nombre d’exercices (près d’une centaine) peut vous
surprendre, mais beaucoup d’entre eux sont très courts ou bien redondants et
enfin, si vous les travaillez en moyenne 2h par semaine d’ici la session de
janvier, cela revient à consacrer en moyenne une vingtaine de minutes à
chacun !
Notation
[S1] signifie, exercice corrigé durant la
première séance … etc
Révisions
1.
Parmi les échantillons
suivants, quel est celui qui contient le plus grand nombre d'atomes : 1 g d'argent (Ag) ; 1 g de néon (Ne); 1 g d'ammoniac (NH3)
; 1 g
d'octane (C8H18).
2.
Parmi les échantillons
suivants, quel est celui qui contient la plus grande masse de chlore : 10 g de Cl2 ; 10,1 g de NaCl ; 50 g
de KClO3 ; 0,1 mole de Cl2.
3.
Une mole d’un composé contient
6,02.1023 atomes d'hydrogène, 35,5 g de chlore et 64,0 g d'oxygène. Quelle est
sa formule : HClO2 , HClO, HClO3 ,H(ClO)2
ou HClO4 ?
4.
Quelle quantité de matière,
exprimée en moles, représentent les échantillons suivants : 11,2 g de fer (Fe) ? 1,6.10-3 g de soufre (S) ? 10 g de sucre (C12H22O11)
? 1,5.102 kg de chaux (CaO) ? 0,8 L de Cl2
gazeux (0°C,
1 atm) ? 0,02 L de CCl4 liquide (r = 1,595 g.mL-1) ?
5.
Calculer la masse d’un mètre
cube d’air à la pression atmosphérique en faisant l’approximation du gaz
parfait (on prendra comme composition azote : 78 % - oxygène 21% et argon
1 %)
6.
Combien y-a-t-il d'atomes dans
:1 g de fer, 1 mL de fer
(solide), 1 mL de dibrome
(liquide), 1 mL de krypton (0°C, 1bar) (on donne : rFe
(masse volumique) = 7,86
g.cm-3 ; rBr2 = 3,12 g.cm-3) ?
7.
Donner la constitution des
noyaux des éléments suivants et nommer ces éléments :Na, S, Br, Bi,U
8.
Indiquez le nombre de protons,
neutrons et électrons pour chaque nucléide :Sc, X, Tc, Fe, Cl-, Mg2+
9.
Proposer dans chacun des cas
suivants, deux atomes qui possèdent : le même numéro atomique mais qui
diffèrent par leur nombre de neutrons - le même nombre de nucléons mais des
numéros atomiques différents - le même nombre de neutrons mais des numéros
atomiques différents -le même nombre de protons et le même nombre de neutrons
mais qui diffèrent par leur nombre d’électrons
Chapitre
1 : Les constituants élémentaires de l’atome
1.
Définitions et
notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Atome |
Electron |
Proton |
Neutron |
Nucléon |
,Isotope |
Composé |
Elément Chimique |
Molécule |
Nombre d’Avogadro |
Densité |
Masse Volumique |
Mole |
Volume Molaire | Effet Photoélectrique | Photon |
Longueur d’Onde |
Relation de de Broglie | Dualité Onde-Corpuscule | Electron-Volt (eV) | Masse Atomique | Expérience de Rutherford
, Nombre de Masse |
Numéro Atomique |
Quanta |
Rayons Cathodiques|
Faisceau Monocinétique |
2.
[S1] Quelle est la masse en
gramme(s) d'un atome de fer ? Correspond-elle à la masse des électrons plus la
masse des nucléons ? En déduire l'énergie de liaison par nucléon.
3.
Quelle serait la masse d’une tête d’épingle virtuelle (d’un 1 mm de diamètre) qui ne
serait constituée que de matière ? Quelle est l’origine de l’existence du
vide qui la compose et dont elle est essentiellement constituée ?
4.
[S1] Détermination du nombre
d’Avogadro : Rhutherford et Boltwood
en 1911 ont montré qu’une préparation de radium de 1 g libérait 27,8.10-3
mg d’hélium en 1 an ce qui correspond à l’émission de 13,8.1010
particules a
par seconde (He2+). En déduire : la masse d’un atome
d’hélium, l’équivalent en grammes de l’unité de masse atomique, le nombre
d’Avogadro.
5.
COURS Qu’est-ce qu’un nombre d’onde ? un
cm-1 ? un m-1 ? Quelle relation
existe t-il entre le mètre-1 et le centimètre-1 ? Donner
l’équivalent en J, eV, de l’énergie associée à un photon de nombre d’onde 3850
cm-1. Que vaut la longueur d’onde l de l’onde associée ? (en
m ?, nm ?, cm ?, mm
?)
6.
Déterminer la fréquence d’une radiation électromagnétique de longueur
d’onde: 1 Å
; 5000 Å
; 4,4 mm ; 89 m ; 562 nm.
7.
Quelle est l’énergie associée à une mole de photons ayant pour longueur
d’onde dans le vide l =
400 nm.
8.
[S1] Calculer le facteur de
conversion A qui lie l’énergie d’un photon, exprimée en électron-volts
(eV) à sa longueur d’onde, exprimée en micromètres (mm) suivant
la relation suivante : E(eV)=
9.
COURS Décrire deux expériences permettant de montrer l'aspect ondulatoire
d'une part, et l'aspect corpusculaire d'autre part de la lumière. Même question
pour une particule élémentaire ayant une masse m.
10.
[S1] Soit un proton de masse m =
1,67.10-24 g, possédant l’énergie cinétique EC
= 1 KeV. Calculer la longueur d’onde l
associée à ce proton.
11.
Calculer la longueur d’onde d’un électron dans un accélérateur de
particules de 10GeV (1GeV = 109eV) .
12.
On a mené une expérience de diffraction électronique sur un faisceau
d’électrons accélérés sous une différence de potentiel de 10 kV. Quelle était
la longueur d’onde du faisceau d’électrons ?
13.
Quelle est la longueur d’onde associée aux électrons thermiques à
température ambiante et à 4 K (on prendra pour valeur de l’énergie thermique kBT)
14.
On bombarde une cible métallique de fer (Z = 26) avec un faisceau
d’électrons monocinétiques accélérés sous une tension de V0 = 100
kV. Calculer l’énergie cinétique des électrons incidents, calculer la longueur
d’onde associée l en Å.
15.
[S2] Lorsqu’un rayonnement
électromagnétique monochromatique de longueur d'onde 450 nm parvient sur une
surface de césium métallique, des électrons sont émis avec une énergie égale au
maximum à 1,10 eV.
1) De quelle expérience
s'agit-il ? Quelle est l'énergie nécessaire pour extraire un électron d'un
cristal de césium 55Cs en eV et joules ?
2) Quelle est la vitesse
maximale des électrons émis ?
3) Pour quelle longueur d'onde
incidente leur vitesse serait-elle nulle ?
4)
On utilise le césium métallique comme surface photosensible dans des cellules photoélectriques.
Dans quel domaine de longueur d'onde peut-on l'utiliser?
16.
[S2] On a trouvé que les molécules
gazeuses d’iode se dissocient en atomes après absorption de lumière pour des
longueurs d’onde inférieures à 4995 Å.
Si chaque quantum est absorbé par une molécule de I2,
quel est l’apport d’énergie minimum, en kcal/mol, nécessaire pour dissocier I2
par ce procédé photochimique ?
17.
Une cellule photoélectrique
réagit pour une longueur d’onde maximale de 680 nm. Quelle est l’énergie
nécessaire pour extraire un électron de la photocathode ? Si l’on éclaire
cette cathode avec une radiation de longueur d’onde 400 nm, quelle est la
vitesse maximale des photoélectrons émis ?
18.
a) L’énergie seuil du sodium est égale à 3.65 10-19J. Déterminer
la fréquence seuil du sodium. b) A partir de cette fréquence seuil, calculer
l’énergie cinétique des électrons qui seront éjectés si la surface du sodium
est exposée à des rayons ultraviolets dont la longueur d’onde égale 180 nm.
19.
[S2] Les données concernant l'effet
photoélectrique de l'argent 47Ag sont présentées dans le tableau
suivant :
Fréquence du rayonnement
incident
×10-15
(Hz)
|
Energie cinétique des
électrons éjectés
×1019
(J)
|
2,00
|
5,90
|
2,50
|
9,21
|
3,00
|
12,52
|
3,50
|
15,84
|
4,00
|
19,15
|
A partir d'un calcul de
régression linéaire ou d'un graphique, (énergie cinétique des électrons éjectés
en fonction de la fréquence du rayonnement incident) déterminer la valeur de la
constante de Planck et la fréquence seuil de l'argent.
Chapitre
2 : Le modèle atomique ondulatoire
20.
Définitions et
notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Atome Hydrogénoïde, Atome de Bohr, Orbite de Bohr, Absorption, Emission,Transition, Etat Fondamental, Niveau Fondamental,
Effet d’Ecran, Atome Polyélectronique, Constante de
Rydberg, Couche Electronique, Couche de Valence, Diagramme d’Energie, Electrons
Appariés, Energie d’Ionisation, Séries Spectrales (Lymann,
Balmer, Paschen, Brackett
et Pfund), Raie Spectrale, Raie Limite, Rayon Orbitalaire,
21.
COURS Calculer, en utilisant le modèle atomique de Bohr, le rayon r1
de la première orbite (orbite K) décrit par l’électron autour du proton (On
donne h = 6,627.10-34 J.s ; e = 1,6.10-19 C ; me = 9,1.10-31 kg ; eo = 8,85.10-12 F.m-1)
22.
[S3] La première raie de la série de
Balmer dans le spectre de l’atome d’hydrogène a pour longueur d’onde l = 6562,8 Å,
déterminée à 1/10 d’Angström près. En déduire la constante de Rhydberg en cm-1, en précisant l’erreur absolue
sur la valeur trouvée.
23.
COURS Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses
(justifiez votre réponse) :
a)
la fréquence, ou la longueur d’onde, du rayonnement impliqué dans une
transition électronique est la même, qu’il s’agisse d’absorption ou d’émission.
b)
le spectre d’absorption de l’atome d’hydrogène pris dans sont état fondamental,
ne comporte que les raies de la série de Lyman
c)
les niveaux quantifiés correspondants aux valeurs successives du nombre n sont
les mêmes dans tous les atomes.
d)
il faut une énergie infinie pour porter un électron au niveau correspondant à n
= .
24.
[S3] En utilisant la théorie de
Bohr, calculer en joules et en eV l’énergie de 2° ionisation de He et celle de
3° ionisation de Li. Peut-on obtenir par cette méthode l’énergie de 1°
ionisation de He et celles de 1° et 2° ionisation du
Li ? Conclure.
25.
[S3] Calculer la longueur d’onde en
m, nm et la fréquence en Hz de la raie correspondant à la transition entre les
niveaux n = 2 vers n = 1 : a) dans le cas de l’atome d’hydrogène, b) dans
le cas de l’ion He+
26.
COURS Placer sur deux diagrammes d’énergie distincts les divers
niveaux En de l’atome d’hydrogène et de l’hydrogénoide
He+. Matérialiser les absorptions, les émissions. calculer
cinq ou six transitions des séries dites de LYMAN, BALMER, PASCHEN, BRACKETT,
PFUND en donnant l en m, nm ; n en Hz et en cm-1.
. Existent-t-il des transitions de mêmes énergie dans l’atome d’hydrogène et
dans l’ion He+, si oui, lesquelles ?
27.
[S3] A partir des données des
potentiels de première ionisation I1 ,
calculer les constantes d’écran s, puis les rayons des
atomes de potassium et de fluor pris à l’état gazeux . I1(eV)
fluor = 17,4 et I1(eV) du potassium = 4,34
28.
[S4] Les atomes à deux électrons He
et Li+ (cet exercice a pour
but de mettre en évidence l’importance de l’interaction entre les deux
électrons)
a) Déterminer l’énergie
électronique totale de He et Li+ à l’état fondamental, à partir des
données.
b) On néglige complètement
l’interaction entre les deux électrons :
- Quelle est l’énergie du
système en fonction de E1s(H) et de Z. Applications numériques aux
systèmes He et Li+. Comparer aux résultats de a).
- En déduire EI1 et
EI2 de He, EI2 et EI3 de Li et les comparer
aux valeurs expérimentales.
c)Mêmes questions si on suppose
que l’action d’un électron sur l’autre est équivalente à celle d’une charge
ponctuelle -se
placée au noyau (modèle de Slater).
Données: Valeurs
expérimentales des énergies d’ionisation en eV :
|
EI1
|
EI2
|
EI3
|
|
He
|
24,5
|
54,4
|
|
s=0,31
|
Li
|
5,4
|
75,6
|
122,4
|
|
29. [S4] An atomic
species has five accessible states with the following energies with respect to ionization : -8.72 x 10-18 J, -2.18 x 10-18
J, -0.969 x 10-18 J, -0.545 x 10-18 J, and -0.349 x 10-18
J. Suppose that an atom is in the state with E=-0.969 x 10-18 J.
Calculate the wavelengths of photons which could be absorbed by the species and
of photons which could be emitted by the species.
Chapitre
3 : Les Orbitales Atomiques
30.
Définitions et
notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre: Fonction d’Onde | Case
Quantique, Orbitales Atomiques (s, p, d et f), Equation de Schrödinger,
Principe d’exclusion de Pauli, Règle de Hund,
Principe d’Incertitude d’Heisenberg, Probabilité de Présence, Densité Volumique
de Probabilité , Densité Radiale de Probabilité, Nombre Quantique Principal,
Nombre Quantique Secondaire, Moment Cinétique Orbital, Spin de l’Electron,
Règle de l’Octet, Approximation de Born-Oppeinheimer,
Condition de Normalisation, Opérateur Hamiltonien,
Dégénérescence d’Energie, Levée de Dégénérescence, Fonction Angulaire, Fonction
Radiale, Puits de Potentiel, Sous-Couche
Electronique, Surface d’Isodensité, Surface
Nodale,
31.
COURS Quel est le nombre maximum d'électrons que peut contenir un
niveau d'énergie défini par le nombre quantique n ?
32.
[S5] a) On suppose que la position
d’un électron est connue avec une précision de 5pm.
Quelle est l’incertitude minimale sur sa vitesse ?
b) On suppose à présent que la vitesse de l’électron est
connue avec une précision de 1,0
mm.s-1
; quelle est l’incertitude minimale sur sa position (Problème d’unité à démontrer : 1J = 1kg m2 s-2) ?
c) Supposons qu’on désire
localiser la position d’un électron avec
une fourchette d’imprécision de 5.0 10-11m, qui représente quelques
pour cent du gabarit d’un atome. En se basant sur le principe d’incertitude de
Heisenberg, estimer l’incertitude qui devra correspondre à la vitesse de cet
électron. Si l’électron se déplace à la vitesse de 3.05 107 m.s-1, quelle fraction de cette vitesse
l’incertitude concerne-t-elle ?
33.
COURS Donner les représentations spatiales schématiques et les
signes des parties angulaires des orbitales atomiques suivantes : 3pz,
3dx2-y2, 3dxy, 3dz2 .
34.
[S5] Quelle est la probabilité pour
l’électron d’un atome d’hydrogène à l’état fondamental de se trouver à une
distance du noyau inférieure à a0 (on donne : ) ?
35.
Quelle est la probabilité de présence de l’électron dans l’état
fondamental entre deux sphères concentriques de rayon 0,5 a0 et 1,5a0 (on
donne : ) ?
36.
COURS Quelle valeur prend la fonction y(n,l,m) sur le noyau lorsque
n=1, l=0 et m=0 ? Que vaut la densité radiale de probabilité de présence dans
ces mêmes conditions ?
37.
COURS Schématiser les densités de probabilité de présence des
différentes orbitales atomiques de l’atome d’hydrogène en indiquant les signes
des fonctions d’onde correspondantes.
38.
COURS Etude des orbitales atomique 1s, 2s et 3s des atomes hydrogénoïdes 1) Rappeler les valeurs des nombres
quantiques qui les caractérisent. 2) Calculer, pour chacune de ces orbitales la
distance à laquelle la probabilité de trouver l’électron est la plus grande.
3) Calculer la valeur moyenne de la
distance entre l’électron et le noyau pour l’orbitale
correspondant au niveau d’énergie le plus profond.
39.
COURS a)Définir les surfaces nodales de l’orbitale atomique 2py
de l’atome d’hydrogène. Comment évoluent ces surfaces nodales dans le cas d’un
atome hydrogènoïde ave Z¹1.
b)Démontrer que le plan xOz est plan
nodale de cette orbitale.
c)Représenter schématiquement le nuage
électronique correspondant à cette orbitale : pour cette représentation
utiliser des ombres plus ou moins foncées ou des points plus ou moins
resserrés.
40. [S6] Atoms and
ions can be excited to very high states called Rydberg
states. Consider a He+ ion which has been excited to the n=45 state
(the nucleus of the one-electron ion is an alpha particle).
a) Calculate the
ionization energy of the ion
b) Calculate the average
size of the ion
c) The result calculated
above is an estimate of the uncertainty of the position of the electron in the
ion. Use the result to estimate the uncertainty of the electron’s momentum.
d) Calculate the maximum
possible value of the orbital angular momentum in unit of h/2p
e) The ion is moving with
a speed of 2.0 km/s. Calculate the de Broglie wavelength of the ion.
f)
Suppose that a sample of 1000 He+ ions in the n=45 stae is prepared. When the excited ions decay to the ground
state, will monochromatic or polychromatic radiation be emitted? Explain
Chapitre
4 : La Classification périodique des éléments
41.
Définitions et
notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Période |
Colonne |
Famille |
Bloc (s, p, d, et f) | Nombre (ou Degré) d’Oxydation (ou valence formelle) |
Electronégativité |
Affinité Electronique | Alcalino-terreux | Chalcogènes
|
Lanthanides |
Métaux de Transition | Non-Métaux | Semi-Métaux |
Règle de Klechkowski | Absorption et Emission des Rayons X |
Couplage Spin-Orbite | Couches (K,L,M,N, …), Sous-Couches
(Ka,
Kb,
…) | Principe de Stabilité (Sphéricité) | Rayon Atomique | Rayons Ioniques |
Structure (ou Configuration) Electronique |
42.
COURS De mémoire, dessiner toutes les cases du tableau périodique. Indiquer
pour chacune d’elle le numéro atomique, le symbole chimique ainsi que le nom de
l’élément
43.
COURS Que deviendrait la classification périodique si le spin de
l’électron était nul mais que le principe d’exclusion de Pauli s’appliquait
encore ? Prédire la configuration électronique de l’état fondamental des
dix premiers éléments. Quels éléments seraient ses «gaz rares » ?
Quelles prédictions pourrait-on faire sur la chimie des éléments dans
l’univers ?
44.
COURS Classer par ordre d'électronégativité croissante H, F (9), Al
(13), O (justifier ce classement)
45.
COURS Classer par ordre d’énergie de première ionisation
croissante : Al, Cl, F, He-,K, K+,et
Mg.
46.
COURS Classer par ordre de rayon croissant : Mg2+ (12),
Ar (18), Br- (35), Ca2+ (20)
(justifier ce classement)
47.
COURS Classer par ordre de
rayon croissant : Cl, Cs, Cs+,Cs-,F,
He et P.
48.
COURS Proposer quatre atomes (ou ions) appartenant à des périodes
différentes mais possédant le même nombre d’électrons de valence.
49.
[S6] L'énergie de première ionisation
de l'hélium est de 2370 kJ.mol-1. a) Définir l'énergie
d'ionisation. Pourquoi celle de l'atome d'hélium est-elle si élevée ? b) Quelle
est la longueur d'onde maximale de la radiation capable d'ioniser l'atome
d'hélium.
50.
COURS Comment évolue l’énergie de première ionisation des métaux
alcalins lorsque Z augmente (la réponse devra être justifiée) ?
51. [S6] The eight
ionization energies of ground-electronic state of oxygen are 13.614 eV, 35.108 eV, 54.886 eV, 77.394 eV, 113.08 eV, 739.114 eV, and 871.12 eV. Discuss how these data support the shell model of the
atom. That is one of the eight values can be calculated using the Bohr formula,
which one?
52.
COURS Donner les symboles et nommer les éléments ayant une couche
externe à 8 électrons. Quel est le nom de leur groupe ? Ont-ils des propriétés
chimiques variées ? Quelles sont leurs caractéristiques physiques ? Ont-ils des
utilisations en industrie ?
53.
COURS Soit le chlorure de sodium, l'iodure de potassium, le
fluorure de césium et le bromure de rubidium, a) Donner la formule chimique de
ces molécules biatomiques, b) Citer le nom de l'élément le plus électronégatif
dans chaque molécule, c) Donner pour tous les éléments (constituant les
molécules précédentes) la colonne de la classification périodique ainsi que le
nom du groupe auxquels chacun d'eux appartient, d) Classer ces éléments en
oxydants ou réducteurs.
54.
COURS Soit l'oxyde de
magnésium, le sulfure de baryum, le sulfure de strontium et l'oxyde de baryum,
a) Donner la formule chimique de ces molécules biatomiques, b) Citer le nom de
l'élément le plus électronégatif dans chaque molécule, c) Donner pour tous les
éléments (constituant les molécules précédentes) la colonne de la
classification périodique ainsi que le nom du groupe auxquels chacun d'eux
appartient.
55.
COURS Soit les deux éléments les plus légers de la quatorzième
colonne de la classification périodique, a) Nommer-les et citer le moins
électronégatif, b) Forment-ils des composés avec l'oxygène ? avec
l'hydrogène ? c) Citer et nommer des exemples de composés comportant au maximum
un atome de C ou de Si.
56.
COURS Compte tenu des nombres d'oxydation des éléments (cf. classification périodique), proposer
la formule chimique des composés formés à partir des éléments ayant un Z
compris entre 26 et 30 (26 £ Z £ 30), avec les deux éléments les plus électronégatifs de
la 2ème période. Nommer ces composés.
57.
Donner les nombres d’oxydation (ou charges formelles) de chaque atome
dans les composés suivants : CaO, LiH, N2, Fe3O4, NH4Cl
et l’anion IO3-.
58.
Quels sont les deux oxydes de
phosphore les plus stables ?
59.
Quels sont les deux oxydes d’azote les plus stables ?
60.
[S7] Comment peut-on expliquer que
l’or soit l’un des métaux de transition les moins électropositifs. Peut-on dire
qu’il soit électronégatif ? Quelles conséquences observe-t-on sur les
propriétés chimiques de ce métal ?
61.
[S7] Quels sont les éléments
susceptibles de former des hydrures ?
62.
[S7] Donnez les configurations
électroniques des atomes suivants (les numéros atomiques sont donnés entre parenthèses)
: C (6), N (7), P (15), Sc (21), Cr (24), Ni (28), Cu
(29), Zn (30), Zr (40), Pd (46), Te (52), Au (79). De même pour les ions
suivants : V3+ (23), Cr3+ (24), Fe2+ (26), Co2+
(27), Co3+ (27), Ni2+ (28)
63.
Donner la configuration de l'état fondamental de :Ga
(31), I- (53), Sr+ (38), d'un état excité de : Xe+
(54), Ca (20), O (8)
64. [S7] Which
element could have a ground state valence shell electron in the following orbital :
a) 3px
b) 2px, 2py
and 2pz
c) 3dz2
65. [S8] Make an
energy level diagram that shows the electrons in the following: F, F-,
N, N3-, Si
66.
[S8] L’atome de titane est-il
magnétique ou non ? Même question pour l’ion Ti2+. Quel est le
nombre d’oxydation maximum que l’on peut obtenir dans des conditions de chimie
normales ? La configuration électronique expérimentale du cation V+1,
qui est isoélectronique du titane, est [Ar] 3d4.
Est-ce un résultat attendu oui non ?
67.
[S8] a) Donner la configuration
électronique de l'atome d'azote. Citer un autre élément appartenant à la même
colonne de la classification périodique. b) On donne les énergies de première
ionisation en eV des éléments suivants : C : 11,3 eV; N : 14,5 eV; O : 13,6 eV
; F : 17,4 eV. Il existe une anomalie, laquelle ? Proposer une explication.
68.
[S9] a) Donner la configuration
électronique de l'atome d'aluminium dans son état fondamental. b) Quand
l'électron externe passe du niveau 4s à son niveau fondamental, une radiation
de l
= 395 nm est émise. Calculer en joules et en électron-volts
la différence d'énergie entre les deux niveaux. c) par passage du niveau 3d au
niveau fondamental, une radiation de l = 310 nm est émise.
Représenter sur un diagramme les différences d'énergie entre les différents
niveaux de l'électron externe : fondamental, 4s et 3d.
69.
Donner la structure électronique des atomes et ions suivants : Fe,
Fe2+ et Fe3+. Quels oxydes peut-on rencontrer à partir des deux ions du
fer ? Quelles sont les valences formelles des ions dans la magnétite Fe3O4 ?
70. Quelles sont les valences stables
du manganèse ? En déduire les oxydes stables susceptibles de se
former. Lequel présentera des propriétés magnétiques utilisables notamment pour
le stockage d’information ?
71.
COURS Lesquelles de ces configurations sont-elles justes ? Correspondent-elles
à la description d'états fondamentaux, excités, ou en quoi sont-elles fausses ?
1s2 2p1 ; 1s2 2s2 2d1 ;
1s2 2s3 ; 1s2 2s2 2p1 ;
1s2 2s2 2p3 ; 1s2 2s2 3s1
72.
COURS Soit une source de rayons X utilisant la radiation Ka du
cuivre. Indiquer sur un diagramme d’énergie les niveaux impliqués au cours de
cette transition. S’agit-il d’une absorption ou d’une émission ? Que
devient la longueur d’onde de cette radiation si l’on remplace le cuivre par un
élément plus léger ?
73.
COURS Quels sont les atomes susceptibles de produire des radiations
L lorsqu’ils sont bombardés par des électrons de fortes énergies ? Même
question pour les radiations M et N.
74.
[S9] Faire correspondre, dans la
liste suivante (0,15418 nm ; 8.049 KeV ;
8,040 KeV, 8,903 KeV, 0,930
KeV et 1,5406 Å ) chacune
des transitions rais d’émission suivantes Kb, Ka1, Ka2,
Ka2,
Ma
et La,
pour le cuivre.
Chapitre
5 : La Liaison Chimique
75.
Définitions et
notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Représentation de
Lewis |
VSEPR |
LCAO |
Mulliken |
Orbitale Moléculaire | Orbitale Sigma | Orbitale P i |
Orbitale Liante |
Orbitale Anti-Liante | Indice (ou Ordre) de Liaison | Liaison Multiple |
Energie de Liaison |
Distance de Liaison | Electrons de Liaison | Electrons Antiliant |, Electrons non Liants | Molécule Homonucléaire | Molécule Hétéronucléaire |
Moment Dipolaire | l’unité Debye | Hybridation
76.
COURS Représenter selon le modèle de LEWIS les 20 premiers éléments
du tableau périodique.
77.
[S13] Donner la structure de LEWIS des molécules et ions suivants :
H2, Cl2, H2O, H3O+, H2O2,
H2S, O2, N2, NH3, NH, NO, CO2, C2H2, CO,
CN-, SO2, OH-, O3, SO, PO, PCl3, HCN, PCl5, BH,SF4 Quels sont, parmi ces composés,ceux qui
n’obéissent pas à la règle de l’octet?
78.
Donner les structures des espèces suivante : IF, IF3, IF5, en indiquant les
déformations attendues, quelle théorie utiliser pour expliquer ces
déformations ?
79. [S10] Chlorine
and Fluorine form a series of compounds with the molecular formula ClFn.
a) What is the oxidation number
of fluorine in every member of the series?
b) What is the range of
possible oxidation numbers of chlorine?
c) Draw electron-dot
structure(s) of all the members of the series allowed by the rule of 8.
d) Draw electron-dot
structure(s) of any additional species allowed by the application of the
extended valence.
e) Predict the geometry
of the species proposed above.
f)
Stable isolatable species are only possible for even values of n if the
species is an ion. Explain why.
g) The only allowed stoichiometry for the series FCln
is FCl. Explain why.
80. [S10] The valence
of carbon, hydrogen, and oxygen in their stable compounds are 4, 1, and 2
respectively.
a) Draw the structure of
all reasonable isomers of C3H4O.
b) Do not consider
species with 3-membered rings as they are likely to be unstable. Explain why.
c) Predict the
hybridization of all heavy atoms and all bond angles of each structure.
81.
COURS Donner l’expression de la fonction y2s de l’atome d’hydrogène. Décrire avec
un maximum de précision la (ou les) surface(s) nodale(s). Que vaut la
probabilité de trouver un électron 2s
sur cette surface ?
82.
COURS Donner l’expression de la fonction y2p de l’atome d’hydrogène. Décrire avec
un maximum de précision la (ou les) surface(s) nodale(s). Que vaut la
probabilité de trouver un électron sur cette surface ?
83.
[S11] Décrire la structure
électronique des molécules diatomiques homonucléaires
suivantes à l’aide de la théorie des orbitales moléculaires (LCAO-MO) : H2+,
H2, He2+, He2, N2+,
N2, O2, Li2, Be2, B2, C2,
F2, S2, Ne2. Lesquelles sont isoélectroniques ? Indiquer leur ordre de liaison et leur
stabilité respective en fonction de leurs énergies de liaisons
. Quelles sont les molécules qui n’existent pas ?
84.
[S11] Construire le diagramme des
niveaux d’énergie de la molécule Li2 . c) Construire
le diagramme des orbitales moléculaires de LiH. La
molécule LiH a un moment dipolaire 5,88D et une
longueur de liaison de 1,60Å.
Quel est le pourcentage ionique de la liaison? Données : Z(Li) = 3; Z(H)
= 1.
85.
[S12] 1) Donner les diagrammes
d’énergies des molécules hétéronucléaires suivantes:
CO+, CO, CO- 2)
En déduire leurs configurations électroniques et leurs ordres de liaison; 3) Laquelle, parmi ces espèces, doit avoir
la plus courte liaison ? 4) Indiquer,
si possible, leurs propriétés magnétiques.
86.
[S12] On considère la molécule
d’hydrure de béryllium BeH2 : (Be,Z=4; H, Z=1; cBe=1.57, cH=2.20). a) Prévoir la structure géométrique de cette
molécule et indiquer une hybridation appropriée des orbitales atomiques de
valence de l’atome central.. b) Représenter schématiquement les orbitales
moléculaires de liaison (recouvrement positif des orbitales atomiques) c) La molécule possède - t’elle un moment
dipolaire total ? Justifier votre réponse.
87.
1) Prédire la géométrie des molécules et des ions suivants en précisant
aussi les schémas de Lewis pour chacun (l’atome central est souligné) : H2CO ;
PCl ; ClF3 ;IO ; CO2 2) Indiquer pour ces 5 exemples l’hybridation
de l’orbitale de l’atome central. 3)
Justifier si possible leurs principales propriétés (angles, symétries, moments
dipolaires, configurations moléculaires, …
88.
[S12] Comment expliquer, par la
théorie de l'hybridation, la formation du complexe Fe (H2O)62+ à partir d'un ion Fe
(II) et de six molécules d'eau, considérées chacune comme donneuse d'un doublet
électronique ? Préciser la géométrie du complexe formé.