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L1-S1 – CHIM 110 – Session Décembre 2005

ATOMES ET MOLECULES : CORRIGE

Quelques valeurs de constantes :

Energie d’ionisation de l’Hydrogène : E₀ = 13,6 eV = 2,18 10^-18 J

Constante de Planck : h = 6,62 10^-34 J s

Charge de l’électron : e = 1,6 10^-19 C

Masse de l'électron : m_e = 9,1 10^-31 kg

Nombre d’Avogadro : N = 6,022 10²³ mol^-1

Célérité de la lumière dans le vide : C = 3 10⁸ m s^-1

Masse du proton : m_p = 1,6725 10^-27 kg = 1,00718 u.m.a

Masse du neutron : m_n = 1,6747 10^-27 kg = 1,00850 u.m.a

Constante de Rydberg : R_H = 1,096 10⁷ m^-1

Effets d’écran de Slater

1s	0,3
2s 2p	0,85		0,35
3s 3p	1		0,85		0,35
3d	1		1		1		0,35
4s 4p	1		1		0,85		0,85		0,35
4d	1		1		1		1		1		0,35
4f		1		1		1		1		1		1	0,35
5s 5p		1		1		1		1		0,85		0,85	0,85	0,35
5d		1		1		1		1		1		1	1	1	0,35
5f		1		1		1		1		1		1	1	1	1	0,35
6s 6p		1		1		1		1		1		1	1	0,85	0,85	0,85	0,35
		1s		2s 2p		3s 3p		3d		4s 4p		4d	4f	5s 5p	5d	5f	6s 6p

Question 12 : (0,5 point)

Soit la configuration électronique suivante : (Ar) 3d¹⁰ 4s² 4p³

Quelle est l'affirmation exacte ?

Proposition A : Il s'agit d’un chalcogène.

Proposition B : Il s'agit de l'atome neutre de Germanium Ge

Proposition C : Il peut s'agir de l'ion Se²⁺

Proposition D : Il s'agit de l'ion Se^-

Proposition E : Il s'agit de l'atome neutre d'arsenic As

(Ar) 3d¹⁰ 4s² 4p³ è Colonne 15

Les chalcogènes sont en colonne 16: s² p⁴

Le Germanium est en colonne 14 : 4s² 4p²

Le Sélénium Se est en colonne 16 s² p⁴ et Se²⁺ est en 4s² 4p²

Le Sélénium Se est en colonne 16 s² p⁴ et Se^- est en 4s² 4p⁵

L’arsenic As est en colonne 14 : 4s² 4p³

Proposition E : Il s'agit de l'atome neutre d'arsenic As

Question 13 : La charge nucléaire effective Z* ressentie par un électron de la couche de valence de l'atome neutre de calcium Ca est de : (1 point)

Proposition A : Z*= 1,75

Proposition B : Z*= 2,85

Proposition C : Z*= 3,65

Proposition D : Z*= 4,3

Proposition E : Z*= 5,85

Z* = Z - S s

Ca : Z = 20 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s²

Z* = 20 – 0,35 – 8 * 0,85 – 10 * 1 = 2,85

Proposition B : Z*= 2,85

Question 14 : (0,5 point)

Quelle est l'affirmation exacte ?

Proposition A : Le rayon atomique et l'affinité électronique varient dans le même sens.

Proposition B : Le rayon atomique et l'électronégativité varient dans le même sens.

Proposition C : L'énergie de quatrième ionisation d'un élément A correspond à l'énergie de la réaction A²⁺ (g) = A³⁺ (g) + 1 e^-(g)

Proposition D : La charge nucléaire effective Z* augmente de gauche à droite sur une ligne de la classification périodique.

Proposition E : Le rayon d'un cation A⁺ est toujours plus élevé que le rayon de covalence de son atome neutre d'origine A.

Z* = Z - S s

Quand on passe d’un élément au suivant, on ajoute un proton et un électron (généralement dans le même groupe de Slater).

Quand on passe d’un élément au suivant, Z augmente d’une unité et s augmente de 0,35.

Z* augmente donc de 1 – 0,35 = 0,65.

Proposition D : La charge nucléaire effective Z* augmente de gauche à droite sur une ligne de la classification périodique.

Un atome « gros » à ses électrons « loin » du noyau, il les attire donc « peu » et est « peu électronégatif ». Son affinité électronique est faible.

Un atome « petit » à ses électrons « près » du noyau, il les attire donc « fortement » et est « fortement électronégatif». Son affinité électronique est forte.

Le rayon atomique et l’affinité électronique varient donc en sens inverse.

Le rayon atomique et l’électronégativité varient donc en sens inverse.

L’énergie de quatrième ionisation est l'énergie de la réaction A³⁺ (g) = A⁴⁺ (g) + 1 e^-(g)

Quand on passe de l’atome neutre a un cation on enlève un électron de valence, l’effet d’écran diminue et Z* augmente.

R varie comme n²/Z*, si n est constant comme Z* augmente, n²/Z* diminue et le rayon diminue. Si n varie il ne peut que diminuer et R diminue aussi

Le rayon d'un cation A⁺ est donc toujours plus petit que le rayon de covalence de son atome neutre d'origine A

L'Aluminium Al a une masse molaire atomique de 26,98 g.mol^-1, cet élément ne possède qu'un seul isotope stable.

Question 15 : Quelle est l'affirmation exacte? (0,5 point)

Proposition A : L'isotope ²⁸Al est un émetteur radioactif de type b⁺.

Proposition B : L'isotope ²⁹Al est l'isotope stable de l'aluminium.

Proposition C : L'isotope ²⁶Al est un émetteur en modulation de fréquence.

Proposition D : L'isotope stable de l'aluminium possède 15 protons dans son noyau.

Proposition E : L'isotope stable de l'aluminium possède 14 neutrons dans son noyau.

La masse molaire d’un élément est sensiblement égale au nombre de masse de son isotope le plus stable si celui-ci est nettement majoritaire (cas général, sauf rares exceptions). Ici il n’ y a qu’un seul isotope stable et on ne peut donc pas hésiter.

A = Z + N

Ici M = 26,98 soit A = 27 , l’isotope stable est donc ²⁷Al

Pour Al : Z=13 et donc N = 14.

²⁸Al possède 15 neutrons, par rapport à l’isotope stable il possède un excès de neutrons, un neutron va donc se transformer en proton, il y aura éjection d’électricité négative : b^-

La proposition C est là pour amuser la galerie…

Proposition E : L'isotope stable de l'aluminium possède 14 neutrons dans son noyau.

Question 16 : L’énergie de troisième ionisation de l’aluminium est de : (2 points)

Proposition A : 5 eV

Proposition B : 11 eV

Proposition C : 28 eV

Proposition D : 136 eV

Proposition E : 958 eV

Al : Z = 13 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹

Al⁺ : Z = 13 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s²

Al²⁺ : Z = 13 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Al³⁺ : Z = 13 : 1s² 2s² 2p⁶

Troisième ionisation : Al²⁺ = Al³⁺ + e^-

E.I.3 = E Al³⁺ - E Al²⁺

Al²⁺ : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹

Al³⁺ : 1s² 2s² 2p⁶

E Al²⁺ = 2 E₁ + 8 E₂ + E₃

E Al³⁺ = 2 E₁ + 8 E₂

E.I.3 = E Al³⁺ - E Al²⁺ = - E₃

Calcul de E₃ :

E = -E⁰ Z*² / n²

Z* = 13 – 8*0.85 – 2 = 4,2

E₃ = -13,6 * 4,2² / 3² = -26,7 eV

E.I.3 = 26,7 eV

La valeur expérimentale est donc 28 eV avec un écart de 5% ce qui est très correct.

Proposition C : 28 eV

Question 17 : Quelle est l’affirmation exacte ? (0,5 point)

Proposition A : L’aluminium est un alcalinoterreux

Proposition B : L’ion le plus stable de l’aluminium est Al²⁺.

Proposition C : L’aluminium est un élément de transition.

Proposition D : Dans son état fondamental l’atome d’aluminium possède trois électrons célibataires.

Proposition E : L’ion Al³⁺ possède la structure électronique d’un gaz rare.

Situé en colonne 13 l’aluminium n’est pas un alcalinoterreux (colonne 2).

L’ion le plus stable de Al est Al³⁺ : 1s² 2s² 2p⁶ qui possède comme les gaz rares une structure électronique à 8 électrons très stable.

Les éléments de transition sont les élément des blocs d ou f. Al faisant partie du bloc p n’est donc pas un élément de transition.

Al : Z = 13 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹ possède un seul électron célibataire à l’état fondamental.

Proposition E : L’ion Al³⁺ possède la structure électronique d’un gaz rare.

Question 18 : Quelle est l’affirmation exacte ? (0,5 point)

Proposition A : L’aluminium est un atome plus électronégatif que le gallium Ga.

Proposition B : Le rayon atomique de l’aluminium est plus important que celui du soufre S.

Proposition C : Le rayon atomique de l’aluminium est plus important que celui du gallium Ga.

Proposition D : L’aluminium est un atome plus électronégatif que le bore B.

Proposition E : L’aluminium et le soufre forment un composé ionique de formule Al₃S₂

L’électronégativité varie en sens inverse du rayon atomique.

Le rayon atomique varie comme n²/Z*.

Sur une même ligne n est constant et Z* augmente de gauche à droite, n²/Z* diminue donc de gauche à droite, R diminue donc de gauche à droite et l’électronégativité augmente donc de gauche à droite.

Sur une colonne n² augmente de haut en bas, Z* diminue très légèrement de haut en bas, l’effet de n2 l’emporte sur celui de Z* et le rayon atomique augmente donc de haut en bas alors que l’électronégativité diminue de haut en bas.

Al et Ga sont dans la même colonne et Al est situé plus haut que Ga : X_Al > X_Ga et R_Al < R_Ga

Al et S sont dans la même ligne et S est situé plus à droite que Al : X_S > X_Al et R_Al > R_S

D’après leur positions dans la classification pour obéir à la règle de l’octet on prévoit les ions stables de Al et S :

Al donne l’ion Al³⁺ ; S donne l’ion S^2- : le composé ionique a pour formule Al₂S_3.

Remarque : Ici, il y avait deux propositions exactes, cette question à donc été annulée pour ne pas pénaliser ceux qui ne s’en seraient pas aperçu.

Soient les molécules ou ions suivants : AlCl₃  SO₄^2- ICl₄^- H₃O⁺ PCl₃

Question 19 : (1 point)

Parmi les schémas de Lewis suivants quel est le seul correctement écrit :

Question 20 : (0,5 point)

Quelle est l’affirmation exacte

Proposition A : PCl₃ possède une géométrie de type AX₃

Proposition B : H₃O⁺ possède une géométrie de type AX₃

Proposition C : AlCl₃ possède une géométrie de type AX₃

Proposition D : ICl₄^- possède une géométrie de type AX₄

Proposition E : SO₄^2- possède une géométrie de type AX₄E₂

PCl₃ possède une géométrie de type AX₃E

H₃O⁺ possède une géométrie de type AX₃E

AlCl₃ possède une géométrie de type AX₃

ICl₄^- possède une géométrie de type AX₄E₂

SO₄^2- possède une géométrie de type AX₄

Question 21 : (0,5 point)

Quelle est l’affirmation exacte

Proposition A : Dans PCl₃ l’atome de phosphore porte une charge formelle positive

Proposition B : Dans H₃O⁺ l’atome d’oxygène est hybridé sp²

Proposition C : Dans AlCl₃ les angles ClAlCl valent approximativement 109°.

Proposition D : Dans ICl₄^- l’atome d’iode possède 2 doublets libres

Proposition E : Dans SO₄^2- l’atome de soufre possède un doublet libre

Dans PCl₃ l’atome de phosphore ne porte aucune charge formelle.

Dans H₃O⁺ l’atome d’oxygène est hybridé sp³

Dans AlCl₃ les angles ClAlCl valent approximativement 120°.

Dans ICl₄^- l’atome d’iode possède 2 doublets libres

Dans SO₄^2- l’atome de soufre ne possède pas de doublet libre.

Molécule CN

Modèle de Lewis

Question 22 : Quelle est l’affirmation exacte ? (0,5 point)

Proposition A : Le schéma E est une représentation possible de CN.

Proposition B : Le schéma F est une représentation possible de CN.

Proposition C : CN est intermédiaire entre les représentations B et C

Proposition D : CN est intermédiaire entre les représentations A et C

Proposition A : CN est intermédiaire entre les représentations D et E

C
N

Méthode rapide :

1) Si on considère C comme atome central :

C = 4 electrons

N est supposé faire sont nombre de liaison « normal », il fait donc trois liaisons et possède un doublet libre.

C utilise donc trois électrons et lui reste donc 1 électron célibataire.

Il n’apparaît aucune charges formelles C et N possédant leur nombre « normal » d’électrons. On obtient finalement le schéma A.

2) Si on considère N comme atome central :

N = 5 électrons

C est supposé faire sont nombre de liaison « normal », il fait donc deux liaisons et possède un doublet libre.

N utilise donc deux électrons et lui reste donc 3 électrons, soit un doublet libre et un électron célibataire.

Il n’apparaît aucune charges formelles C et N possédant leur nombre « normal » d’électrons. On obtient finalement le schéma C.

Tous les autres schémas proposés sont de toute manière incorrects puisque les charges formelles portées par les atomes n’y figurent pas.

Proposition D : CN est intermédiaire entre les représentations A et C

Modèle C.L.O.A-O.M :

Combinaison Linéaire d’Orbitales Atomiques - Orbitales Moléculaires

Question 23 : Dans le modèle C.L.O.A-O.M, l’indice de liaison pour CN est de : (1,5 point)

Proposition A : 1

Proposition B : 1,5

Proposition C : 2

Proposition D : 2,5

Proposition E : 3

n_l =1/2 ( n – n*) = ( 7 – 2 ) / 2 = 2,5

Remarque : que CN soit ou non avec interaction sp ne change rien à l’indice de liaison.

Question 24 : Le modèle C.L.O.A-O.M, prévoit que : (0,5 point)

Proposition A : Dans l’anion CN^- la longueur de liaison est plus élevée que dans CN.

Proposition B : Dans le cation CN⁺ la longueur de liaison est plus élevée que dans CN.

Proposition C : Le cation CN⁺ est plus stable que CN.

Proposition D : L’anion CN^- est moins stable que CN.

Proposition E : Dans CN les électrons peuvent facilement se transformer en isotopes radioactifs.

CN^- : On ajoute un électron liant :

• L’indice de liaison augmente d’une ½ liaison.
• La longueur de liaison diminue.
• La molécule est stabilisée

Proposition A : Dans l’anion CN^- la longueur de liaison est plus élevée que dans CN. FAUSSE

Proposition D : L’anion CN^- est moins stable que CN. FAUSSE

CN⁺ : On enlève un électron liant :

• L’indice de liaison diminue d’une ½ liaison.
• La longueur de liaison augmente.
• La molécule est déstabilisée

Proposition B : Dans le cation CN⁺ la longueur de liaison est plus élevée que dans CN. VRAIE

Proposition C : Le cation CN⁺ est plus stable que CN. FAUSSE

Proposition E : Dans CN les électrons peuvent facilement se transformer en isotopes radioactifs. Evidemment FAUSSE

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