Objectif prépa Chimie

OBJECTIF PRPA

CHIMIEH PRPA

Pour bien dmarrer sa prpa

Conseils, astuces et mthodes Approfondissement du programme de terminale Nombreux exercices corrigs

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Classification priodique

OBJECTIF PRPA

CHIMIE

H PRPA

Pour bien dmarrer sa prpa

Andr Durupthy

Professeur en classes prparatoires

au lyce Paul-Czanne Aix-en-Provence

Odile Durupthy



Rosine Fanguet

Professeur au lyce Jean-Lurat Martigues

Magali Giacino



Alain Jaubert


au lyce Thiers Marseille

Maquette de couverture : Guylaine Moi

Maquette intrieure : Vronique Lefebvre

Composition et mise en page : Laser Graphie.

Illustration : Philippe Kaihlenn (p. 64).

Hachette Livre 2008, 43 quai de Grenelle, 75905 Paris Cedex 15.

www.hachette-education.com

Tous droits de traduction, de reproduction et dadaptation rservs pour tous pays.

Le Code de la proprit intellectuelle nautorisant, aux termes des articles L. 122-4 et L. 122-5 dune

part, que les copies ou reproductions strictement rserves lusage priv du copiste et non desti-

nes une utilisation collective , et, dautre part, que les analyses et les courtes citations dans

un but dexemple et dillustration, toute reprsentation ou reproduction intgrale ou partielle, faite

sans le consentement de lauteur ou de ses ayants droit ou ayants cause, est illicite .

Cette reprsentation ou reproduction par quelque procd que ce soit, sans autorisation de lditeur ou

du Centre franais de lexploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris),

constituerait donc une contrefaon sanctionne par les articles 425 et suivants du Code pnal.

I.S.B.N. 978-2-01-181333-6

Vous venez dobtenir le bac et vous vous destinez des tudes scientifiques. Cet ouvrage ne

ressemble pas vos manuels de lyce, ni ceux que vous utiliserez par la suite. Il est destin vous

aider franchir ce cap difficile.

Son objectif est double : assurer les bases qui vous permettront de profiter au mieux de lenseigne-

ment que vous allez suivre et vous familiariser avec les problmes que vous allez aborder et avec les

mthodes que vous allez devoir acqurir. Il vous sera galement utile tout au long de votre premire

anne denseignement suprieur, lindex plac en fin douvrage vous permettant de retrouver rapi-

dement le dtail qui vous aurait chapp.

Notre exprience denseignants, tant au lyce quen classes prparatoires, nous a permis de rper-

torier les principales difficults sur lesquelles un grand nombre dtudiants dbutants achoppent.

Nous y avons port une attention particulire : il est important davoir des ides claires sur les fon-

dements dune discipline avant den aborder les aspects plus complexes.

Chaque chapitre est dcoup en trois parties :

Un rappel des connaissances essentielles acquises au cours de vos tudes secondaires,

intitul Essentiel .

Il se peut que vous soyez parfois surpris par la forme de ces rappels. Nous avons en effet regrou-

p en un ou deux chapitres lessentiel des connaissances acquises sur un thme donn (struct-

ure de la matire, ractions doxydorduction, chimie organique,) depuis la classe de

Seconde. Nous avons plus particulirement insist sur les savoirs et les savoir-faire indispensa-

bles la russite dtudes suprieures scientifiques. Si vous les lisez attentivement, vous vous ren-

drez compte que ce sont effectivement des rappels.

Une premire srie dexercices, intitule Pour faire le point .

Ces exercices devraient pouvoir tre rsolus sans grande difficult par un lve qui a correcte-

ment assimil la chimie enseigne au lyce. Ils vous permettront de tester et de consolider vos

connaissances de base.

Une deuxime srie dexercices, intitule Pour aller plus loin .

Bien quils nutilisent que les connaissances vues au lyce, ces exercices constituent une initia-

tion aux mthodes que vous allez devoir utiliser dans lenseignement suprieur. Ils requirent en

gnral une plus grande rigueur dans lanalyse du systme tudi et une plus grande matrise des

concepts. Il est normal que vous narriviez pas tous les rsoudre sans effort ! En les cherchant

avec mthode, puis en tudiant les solutions proposes, vous vous familiariserez avec les exerci-

ces qui vous seront proposs par la suite.

Les noncs sont en gnral suivis de Conseils . Commencez par essayer de rsoudre le plus de

questions possibles sans regarder les conseils. Ensuite, vous pouvez utiliser ces conseils. Enfin, si

vous ne trouvez toujours pas, regardez la solution. Lessentiel nest pas la solution en elle-mme,

mais les mthodes qui ont permis dy parvenir. Lisez donc trs attentivement les solutions et les

remarques qui les compltent : il vaut mieux faire peu dexercices bien compris que den survoler

beaucoup.

Il ne nous reste qu vous fliciter de votre choix pour des tudes scientifiques et vous souhaiter

de les mener avec succs.

Les auteurs

3

Avant-propos

1. Structure de la matire................................................................................................................. 6

2. Raction chimique, quation chimique, avancement de raction................................................. 26

3. Techniques de suivi dune raction chimique............................................................................... 44

4. Quotient de raction, constante dquilibre, volution dun systme ........................................... 63

5. Les ractions acido-basiques ........................................................................................................ 81

6. Les ractions doxydorduction.................................................................................................... 100

7. Vitesse dune raction chimique................................................................................................... 119

8. Chanes carbones et groupes caractristiques en chimie organique ............................................. 142

9. Quelques ractions en chimie organique...................................................................................... 161

j Annexes

1. Constantes dacidit de couples acide-base 25 C...................................................................... 179

2. Puissances de 10, units, conductivit molaire ionique, alphabet grec ......................................... 181

3. Prcision dun rsultat, chiffres significatifs.................................................................................. 183

4. Utilisation des calculatrices en chimie.......................................................................................... 184

Index ............................................................................................................................................... 189

j En couverture

Verso de la couverture : Constantes et units utiles en chimie ; indicateurs colors.

Dernire page : Classification priodique.

5

Sommaire

Hachette Livre Objectif Prpa Chimie La photocopie non autorise est un dlit.

LES OBJECTIFS

Savoir tablir la structure lectronique dun atome

Savoir tablir la formule de Lewis dune molcule

Savoir utiliser la Classification priodique des lments

Savoir valuer une nergie de raction en fonction des nergies

de liaison

LES OUTILS MATHMATIQUES ET PHYSIQUES

Connatre lnergie e dun photon de frquence n soit e = h .n

1 Structure de latome

Atome

Un atome est une entit lectriquement neutre, forme dun noyau

charg positivement et dlectrons chargs ngativement, en mouve-

ment dans le vide autour de lui.

Le noyau est constitu de A nuclons :

Z protons, portant chacun une charge lectrique + e ;

(A Z ) neutrons.

La charge du noyau est donc + Z . e.

Les Z lectrons, portant chacun une charge lectrique e, gravitent

autour du noyau.

Ions

En perdant des lectrons, les atomes se transforment en cations

chargs positivement.

En gagnant des lectrons, les atomes se transforment en anions

chargs ngativement.

Cortge lectronique

Les lectrons dun atome ou dun ion se rpartissent en couches,

caractrises par un nombre entier n, suprieur 0. Chaque couche est

aussi dsigne par une lettre. Ainsi, aux valeurs 1, 2, 3, 4, , de n cor-

respondent les lettres K, L, M, N,

La rpartition des lectrons sur ces couches est dtermine par deux

principes.

Principe de Pauli : Une couche de numro n peut contenir au maxi-

mum 2n

2

lectrons (doc. 1).

Principe de construction : Dans ltat le plus stable de latome ou de

lion, les lectrons occupent successivement les couches en commen-

6

1

Structure

de la matire

REMARQUE

Les masses du neutron et du proton

sont trs voisines et trs suprieures

celle de llectron. La masse dun

atome ou dun ion contenant A

nuclons est donc pratiquement

gale la masse du noyau :

A .m

proton

.

RAPPEL

RAPPEL

Charge lmentaire :

e = + 1,6 .10

19

C.

Doc. 1 Application du principe de

Pauli aux trois premires couches.

Masse (kg) Charge

Proton

1,673 . 10

27

+ e

Neutron

1,675 . 10

27

0

lectron

9,109 . 10

31

e

n Symbole Charge

1 K

2n

2

= 2

2 L

2n

2

= 8

3 M

2n

2

= 18

7ESSENTIEL

Structure de la matire

1

ESSENTIEL

ant par celles dont le numro est le plus faible : ltat correspondant

de latome est son tat fondamental.

La dernire couche occupe est appele couche externe : ses

lectrons sont les lectrons de valence. Les lectrons des couches

internes sont appels lectrons de cur.

Voir exercices n

os

1 et 2

lment chimique

Un lment chimique est caractris par son numro atomique Z.

Tous les atomes ou les ions de cet lment ont un noyau comportant

Z protons.

Tous les atomes de cet lment ont le mme cortge lectronique form

de Z lectrons ; ils prsentent donc les mmes proprits chimiques.

Des isotopes possdent le mme numro atomique Z , mais des

nombres A de nuclons diffrents. Ils appartiennent donc au mme

lment et prsentent les mmes proprits chimiques. Leurs propri-

ts nuclaires sont cependant diffrentes.

Principe de conservation : Au cours des ractions chimiques, les

diffrents lments se conservent.

Voir exercice n 3

2 difices chimiques

Les molcules, les ions polyatomiques et les cristaux sont des exemples

ddifices chimiques.

Rgles de loctet et du duet

Les atomes des gaz nobles (hlium, non, argon, ) prsentent une

grande inertie chimique car ils sont trs stables. Cette grande stabilit

est due leur structure lectronique externe : un duet cest--dire un

doublet dlectrons pour lhlium, un octet cest--dire quatre dou-

blets dlectrons pour les autres.

Au cours des ractions chimiques, les atomes ont tendance acqu-

rir une structure lectronique plus stable que la leur :

les atomes dont le numro atomique est voisin de celui de lhlium

adoptent sa structure lectronique stable, un duet ;

les autres atomes adoptent, lorsque cela est possible, une structure

lectronique externe en octet.

Cristaux ioniques

Un cristal ionique est un solide constitu danions et de cations rgulire-

ment disposs dans lespace. Lensemble est lectriquement neutre (doc. 2).

La formule dun cristal ionique est une formule statistique qui indique

la nature et la proportion des ions prsents dans le cristal.

Voir exercice n 4

1

RAPPEL

Reprsentation d'un atome (a)

et d'un ion (b) :

A = nombre

de nuclons

Z = nombre

de protons

charge de l'ion

mesure en

charge

lmentaire e

symbole de

l'lment

Z

A

symbole de

l'lment

Cu

2+

63

29

Al

27

13

RAPPEL

Les proprits chimiques dpen-

dent de la structure lectronique.

Les proprits nuclaires dpen-

dent du noyau.

Na

+

C1

Doc. 2 Ce cristal est constitu

dions Na

+

et Cl

. La neutralit lec-

trique de ldifice impose que ces

deux ions soient prsents en quantits

gales :

la formule du cristal de chlorure de

sodium est donc NaCl.


8

ESSENTIEL


1

Molcules

Une molcule est une entit chimique lectriquement neutre, forme

dun nombre limit datomes (doc. 3).

Liaison covalente et rgle de loctet et du duet

La liaison covalente consiste en la mise en commun par deux atomes

dun ou de plusieurs doublets dlectrons, appels doublets de liaison

ou doublets liants. Les lectrons mis en commun appartiennent

chacun des deux atomes et doivent tre pris en compte dans le total

des lectrons de chaque atome.

Chaque doublet liant apportant un lectron supplmentaire un

atome, le nombre de liaisons covalentes qutablit un atome est gal au

nombre dlectrons qui lui manquent pour acqurir une structure

lectronique stable (octet ou duet).

Le nombre de liaisons covalentes que peut former un atome est appel

la covalence de latome (doc. 4).

Reprsentation de Lewis dune molcule

Dans la reprsentation de Lewis dune molcule, le symbole de ll-

ment reprsente le noyau de latome et les lectrons internes. Les

lectrons externes sont figurs par un tiret, sils forment un doublet et

par un point sils sont clibataires.

Un doublet liant est reprsent par un tiret situ entre les symboles des

deux atomes.

Un doublet non liant est reprsent par un tiret situ autour du sym-

bole de latome auquel il appartient.

tablissement de la formule de Lewis dune molcule

1. crire le nom et la formule brute de la molcule.

2. Dterminer le nombre n

e

dlectrons externes de chaque atome, soit

en tablissant sa configuration lectronique, soit partir de sa place

dans la Classification priodique des lments.

3. En dduire la covalence de chaque atome cest--dire le nombre n

liaison

de liaisons covalentes quil doit tablir pour acqurir une structure stable.

4. Calculer le nombre total n

total

dlectrons externes de la molcule.

En dduire le nombre n

doublet

de doublets externes.

5. Rpartir les doublets de la molcule en doublets liants et non liants en

respectant la covalence des diffrents atomes, cest--dire en appliquant la

rgle du duet pour lhydrogne et celle de loctet pour les autres atomes.

Voir exercices n

os

5, 6 et 9

Formules dveloppe et semi-dveloppe dune molcule

Dans la formule dveloppe, on reprsente toutes les liaisons par des tirets.

Acide sulfurique :

H

2

SO

4

Doc. 3 Dans la formule brute dune

molcule, les symboles des lments

prsents sont crits cte cte avec,

en indice en bas droite, le nombre

datomes de chaque lment.

lment

Formule

lectronique

Covalence

H

C

N

O

P

(K )

1

(K )

2

(L )

4

(K )

2

(L )

5

(K )

2

(L )

6

(K )

2

(L )

7

(2 1) = 1

(8 4) = 4

(8 5) = 3

(8 6) = 2

(8 7) = 1

Doc. 4 Relation entre la structure

lectronique externe et la covalence

dun lment.

1. Dioxyde de carbone : CO

2

.

2. C : (K )

2

(L )

4

; n

e

(C) = 4.

O : (K )

2

(L )

6

; n

e

(O) = 6.

3. n

liaison

(C) = (8 4) = 4 .

n

liaison

(O) = (8 6) = 2.

4. n

total

= (1 4) + (2 6) = 16.

n

doublet

= = 8.

5. Reprsentation de Lewis :

O C O

16

'

2

Exemple : tablissement de la

formule de Lewis du dioxyde de

carbone

ESSENTIEL

9

Dans la formule semi-dveloppe, on ne reprsente pas les liaisons des

atomes dhydrogne. Ceux-ci sont directement accols aux atomes

auxquels ils sont lis).

Structure des molcules

Rpulsion des lectrons externes

Les doublets dlectrons externes dun mme atome tendent se

repousser les uns les autres. La structure adopte par une molcule est

donc celle o les doublets dlectrons externes, liants ou non liants,

autour de chaque atome, scartent au maximum les uns des autres.

Convention de CRAM

Un trait plein () reprsente une liaison entre deux atomes situs

dans le plan de la figure ; les angles entre les liaisons ainsi reprsentes

sont respects.

Un triangle allong plein ( ) reprsente une liaison entre un

atome situ dans le plan de la figure ( la pointe du triangle) et un

atome situ au-dessus de ce plan ( la base du triangle).

Un triangle allong hachur ( ) reprsente une liaison entre

un atome situ dans le plan de la figure ( la pointe) et un atome situ

en arrire de ce plan ( la base).

Voir exercice n 7

3 Classification priodique

Principe de la Classification priodique

La Classification priodique est un tableau 18 colonnes (voir la der-

nire page de l'ouvrage)* dans lequel :

les lments sont classs par numro atomique Z croissant ;

chaque ligne du tableau est appele priode ;

une nouvelle priode apparat chaque fois que le remplissage lectro-

nique fait intervenir une nouvelle couche ;

les lments dont les atomes ont la mme structure lectronique

externe se trouvent dans une mme colonne.

Utilisation de la Classification priodique

Les proprits chimiques dun lment sont dtermines par sa structure

lectronique externe. Daprs le principe de construction de la Classification

priodique, les atomes des lments qui se trouvent dans une mme colon-

ne ont la mme structure lectronique externe et possdent donc des pro-

prits chimiques voisines : ils constituent une famille (doc. 5).

Application :

Pour obtenir un duet ou un octet lectronique, les atomes qui ont un,

deux ou trois lectrons sur leur couche externe peuvent les perdre en don-


O

H

H(a)

(b)

HC NC

H

H

CH

3

NH

2

C

O

Exemple : Formules de

lthanamide : (a) dveloppe ;

(b) semi-dveloppe.

Exemple : Reprsentation de la

molcule de chlorofluoromthane

CH

2

ClF.

H

Cl

H

C

F

Doc. 5 Principales familles

dlments.

Colonne Famille

1 alcalins

2 alcalino-terreux

17 halognes

18 gaz nobles

1


10

ESSENTIEL


1

nant des cations portant une, deux ou trois charges lmentaires positives.

Ces atomes, situs dans les colonnes 1 (Na, K, ), 2 (Mg, Ca,) et

13 (Al, ) de la Classification, sont plutt donneurs dlectrons.

Pour obtenir un octet lectronique, les atomes qui ont cinq, six ou

sept lectrons de valence peuvent gagner trois, deux ou un lectron en

donnant des anions portant trois, deux ou une charges lmentaires

ngatives. Ces atomes, situs dans les colonnes 15 (celle de lazote),

16 (celle de loxygne) et 17 (celle des halognes) de la Classification,

sont plutt accepteurs dlectrons.

Pour obtenir un octet lectronique, les atomes qui ont quatre, cinq,

six ou sept lectrons de valence peuvent engager quatre, trois, deux ou

une liaison covalente. Ces atomes sont situs dans les colonnes

14 (celle du carbone), 15 (celle de lazote), 16 (celle de loxygne) et

17 (celle des halognes) de la Classification.

Voir exercices n

os

9, 10 et 11

4 Aspect nergtique

nergie de cohsion dune molcule

Lnergie molaire de cohsion dune molcule est gale son nergie

molaire datomisation. Cest lnergie quil faut fournir une mole de

molcules, prises ltat gazeux, pour les dissocier en leurs atomes

constitutifs, ltat gazeux, selon le processus dquation :

A

x

B

y

(g) x A (g) + yB (g)

E

at

sexprime en J . mol

1

ou kJ . mol

1

.

nergie de liaison covalente

Pour une espce diatomique AB, lnergie de la liaison AB, note

D

AB

, est gale lnergie datomisation dune mole de molcules AB.

Pour une espce polyatomique, lnergie de la liaison AB est gale

lnergie quil faut fournir une mole de molcules AB ltat gazeux

pour casser la liaison AB et obtenir les groupes A et B ltat gazeux.

Lnergie molaire datomisation dune molcule est gale la somme

des nergies moyennes des liaison prsentes dans la molcule.

nergie de raction

Lnergie de raction est la variation dnergie chimique qui accom-

pagne la transformation dun systme, sige dune raction chimique.

Lnergie molaire de raction dune raction chimique, E

r

, est lnergie chi-

mique mise en jeu quand lavancement de cette raction augmente dune mole.

Lnergie molaire dune raction chimique o ractifs et produits sont

tous ltat gazeux, se dtermine en faisant le bilan nergtique des

liaisons rompues et des liaisons formes au cours de la raction :

nergie molaire somme des somme des

de = nergies des nergies des

raction liaisons rompues liaisons formes

Voir exercice n 12

RAPPEL

Les atomes situs dans la colonne k

(pour k allant de 13 18) ont

(k 10) lectrons externes.

Ainsi :

les halognes (colonne 17) ont

(17 10) = 7 lectrons externes ;

les gaz nobles (colonne 18) ont

(18 10) = 8 lectrons externes

( lexception de lhlium).

RAPPEL

1 mole de molcules

=

6,022 . 10

23

molcules

RAPPEL

Une raction exothermique

correspond une nergie de raction

ngative.

Une raction endothermique

correspond une nergie de raction

positive.

Exemple : nergie datomisation de

la molcule dthanal.

O

H

2C(g) + 4H(g) + O(g)

E

at

= 4D

CH

+ D

CC

+ D

C=0

(g)C HC

H

H

Conseil

Conseil

Conseils

Exercices

11

Pour faire le point

1 Structure lectronique datomes ou dions

1. Loxygne (Z = 8) peut donner des ions oxyde O

2

.

a. Dterminer la structure lectronique de latome dans son tat fondamental en reprsentant sa

formule lectronique. Prciser la couche externe et le nombre dlectrons quelle comporte.

b. Rpondre aux mmes questions pour lion O

2

.

2. Le bryllium (Z = 4), de symbole Be, peut donner des ions Be

2

+

.

a. Dterminer la structure lectronique de latome dans son tat fondamental en reprsentant sa

formule lectronique. Prciser la couche externe et le nombre dlectrons quelle comporte.

b. Rpondre aux mmes questions pour lion Be

2

+

.

2 Structure lectronique de laluminium

1. noncer le principe de Pauli et le principe de construction.

2. On considre latome daluminium (Z = 13) pour lequel on propose diverses formules lectro-

niques : (K )

3

(L )

6

(M )

4

; (K )

2

(L )

5

(M )

6

; (K )

2

(L )

11

; (K )

2

(L )

8

(M )

3

; (K )

1

(L )

8

(M )

4

.

a. Quelles sont celles qui ne respectent pas le principe de Pauli ? Que peut-on dire des atomes

correspondants ?

b. Parmi les formules respectant le principe de Pauli, quelle est celle qui correspond ltat fon-

damental de latome de magnsium ? Combien dlectrons comporte la couche externe ?

3 Composition datomes ou dions

1. Dterminer la composition des noyaux suivants :

a.

21

10

Ne ; b.

23

11

Na ; c.

93

41

Nb ; d.

22

10

Ne ; e.

59

28

Ni.

2. Certains sont-ils isotopes dun mme lment ?

3. Dterminer la composition, cest--dire le nombre de protons, neutrons et lectrons, des enti-

ts suivantes :

a.

31

P ; b.

37

Cl

; c.

59

Ni

2

+

.

Donnes : numros atomiques des lments considrs : Ni : 28 ; P : 15 ; Cl : 17.

Voir aussi lexercice 13

4 Phosphure de magnsium

1. Dterminer la structure lectronique des atomes des lments magnsium Mg (Z = 12) et

phosphore P (Z = 15).

2. En dduire la formule des ions que donnent ces deux lments.

Revoir la notation des noyaux et la dfinition dun isotope.

Utiliser le numro atomique des diffrents lments.

Dterminer, par application du principe de Pauli, le nombre maximal dlectrons de chaque couche.

Utiliser le numro atomique des diffrents lments.

Conseils

Conseils

3. Le magnsium ragit avec le phosphore pour donner du phosphure de magnsium constitu

dions calcium et phosphure.

Proposer une formule pour le cristal de phosphure de magnsium.

5 Formule de Lewis du chlorure dhydrogne

Le chlorure dhydrogne a pour formule HCl.

1. a. Dterminer la structure lectronique des atomes de chlore (Z = 17) et dhydrogne (Z = 1).

b. Combien dlectrons externes possdent-ils ?

2. Combien manque-t-il dlectrons chaque atome pour obtenir une structure stable ?

En dduire leur covalence.

3. Dterminer le nombre total n

total

dlectrons externes de la molcule, puis le nombre n

doublet

de doublets externes.

4. tablir la reprsentation de Lewis de cette molcule. Prciser les doublets liants et non liants

de chaque atome.

6 Formule de Lewis de lhydroxylamine

Les lments hydrogne, azote et oxygne ont pour numro atomique respectif 1, 7 et 8.

1. Dterminer la structure lectronique des trois atomes ltat fondamental.

2. Combien dlectrons leur manque-t-il pour obtenir une structure stable ?

En dduire le nombre de liaisons covalentes quils doivent tablir pour obtenir cette structure.

3. On considre la molcule dhydroxylamine, de formule brute NH

3

O.

tablir la reprsentation de Lewis de la molcule.

Prciser les doublets liants et non liants.

7 Compos du silicium et du chlore

1. tablir les formules lectroniques de llment silicium (Z = 14) et llment chlore (Z = 17).

Combien dlectrons leur manque-t-il pour obtenir une structure stable ? Combien de liaisons

covalentes doivent-ils tablir pour obtenir cette structure ?

2. tablir la formule de la molcule la plus simple forme uniquement partir des lments sili-

cium et chlore.

Se rappeler que les gaz nobles ont une structure lectronique externe en octet ou en duet.

Utiliser le fait que, lors du dcompte des lectrons entourant un atome, les lectrons des doublets liants sont

pris en compte dans le total pour chaque atome.

Revoir la mthode expose dans l Essentiel.

Se rappeler que les gaz nobles ont une structure lectronique externe en octet ou en duet.

Utiliser le fait que, lors du dcompte des lectrons entourant un atome, les lectrons des doublets liants sont

pris en compte dans le total pour chaque atome.

Rpartir les doublets non liants en respectant la covalence des diffrents atomes.

Appliquer la rgle de loctet.

Utiliser le fait que tout chantillon de matire est lectriquement neutre.

Conseils

12


EXERCICES


1

Conseil

Conseil

Conseils

Conseils


1

3. tablir la reprsentation de Lewis de cette molcule. Prciser les doublets liants et non liants.

4. En dduire la structure gomtrique de la molcule.


8 Rgle de loctet

1. Dans les formules suivantes, les atomes respectent-ils les rgles du duet et de loctet ?

2. Rectifier ventuellement les reprsentations proposes en tenant compte des doubles liants et

non liants et vrifier le nombre total dlectrons priphriques.

9 Une famille

1. Quels sont les lments (Z 54) appartenant la mme famille que le chlore ? Comment les

nomme-t-on ? Combien dlectrons externes possdent leurs atomes ?

2. a. Quelle est la formule lectronique de lion chlorure ?

b. En dduire la formule gnrale des ions que donnent les lments de cette famille.

c. Quelle est la formule gnrale du compos form entre ces lments et llment argent ?

3. a. Quelle est la covalence du chlore ?

b. Quelle est la reprsentation de Lewis de la molcule de dichlore ? Prciser le nombre de dou-

blets liants et non liants. En dduire la structure lectronique externe de la molcule de diiode.

c. Quelle est la formule gnrale du compos form entre ces lments et llment phosphore,

situ dans la 15

e

colonne de la Classification ?

10 Famille du carbone

1. a. Daprs la rgle de loctet, quel(s) ion(s) peut (peuvent) donner latome de carbone ?

Leur formation est-elle facile ?

b. Quelle est la covalence de latome de carbone ?

2. a. Quels sont les lments appartenant la mme famille que le carbone (Z = 6) ?

b. Quelle est la formule de loxyde que donnent ces diffrents lments ?

Utiliser la Classification priodique et revoir le principe de sa construction.

Utiliser la covalence des lments considrs.


Appliquer la rgle de loctet.

Lion argent a pour formule Ag

+

.

Utiliser le fait que, lors du dcompte des lectrons entourant un atome, les doublets liants sont pris en compte

dans le total pour chaque atome.

H C O

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

C H

C H

H O

O

H

H

(a) (b) (c) (d)

Cl

Utiliser les mmes conseils qu l exercice 6.

13

EXERCICES

Conseils

Conseils

14


11 Famille du lithium

1. Quels sont les lments appartenant la mme famille que le lithium (Z = 3) ?

Comment les nomme-t-on ? Combien dlectrons externes possdent leurs atomes ?

2. a. Quelle est la formule lectronique de lion lithium ?

b. En dduire la formule gnrale des ions que donnent les lments de cette famille.

c. Quelle est la formule gnrale du compos ionique form entre ces lments et llment

oxygne ?

12 Combustion du mthanol

En phase gazeuse, le mthanol CH

4

O ragit avec le dioxygne pour donner du dioxyde de

carbone et de la vapeur deau.

1. crire lquation de cette combustion avec les nombres stchiomtriques entiers les plus

petits possibles.

2. crire les formules dveloppes des diffrentes espces.

3. En dduire lnergie molaire de raction E

r

.

Donnes : Dans la molcule de CO

2

: D

C

=

O

= 804 kJ . mol

l

.

D

O

=

O

= 498 kJ . mol

l

; D

O

H

= 463 kJ . mol

l

; D

C

H

= 415 kJ . mol

l

;

D

C

C

= 345 kJ . mol

l

. ; D

C

O

= 356 kJ . mol

l

.


Pour sentraner

13 lment et isotopes

1. Dans la Classification priodique dix-huit colonnes, chaque lment peut tre repr par son

abscisse et son ordonne. Labscisse dsigne le numro de colonne et lordonne le numro de

priode. On considre un lment Y , identifier, dont les coordonnes sont (1 ; 4).

a. Dterminer, grce la Classification, son nom, son symbole et son numro atomique.

quelle famille appartient-il ?

b. tablir, partir de sa place dans la Classification, la structure lectronique de latome cor-

respondant dans ltat fondamental.

c. Quels sont les ions quil peut donner ? Ces ions ont-ils la structure lectronique dun gaz noble ?

2. Y possde trois isotopes naturels, nots

39

Y,

40

Y et

41

Y.

a. Rappeler la signification du nombre figurant dans la notation. Prciser la composition du

noyau.

Utiliser la covalence des diffrents lments.

Dnombrer les liaisons rompues et les liaisons formes.


Appliquer les rgles du duet et de loctet en reprant la place des lments dans la Classification.

EXERCICES


1

Conseil

Conseil

Conseils


1

b. Rappeler la dfinition des isotopes. Les isotopes ont-ils les mmes proprits chimiques ? les

mmes proprits nuclaires ?

14 Formule de lhydrazine

1. Lhydrazine est une molcule forme uniquement partir des lments azote et hydrogne.

Sachant que :

la molcule dhydrazine comporte quatre atomes dhydrogne ;

toutes les liaisons de la molcule sont des liaisons covalentes simples ;

tous les atomes de la molcule ont une structure lectronique stable ;

proposer une formule pour la molcule.

2. crire la reprsentation de Lewis de la molcule. Quel est le nombre de doublets non liants

de la molcule ?

3. En considrant successivement la rpulsion des doublets autour des deux atomes dazote, pr-

ciser les caractristiques gomtriques de la molcule. Cette molcule est-elle plane ?

15 Molcule interstellaire

Ltude des ondes radio venues de lespace permet de dceler la prsence de molcules et mme

de les identifier. Certaines de ces molcules navaient jamais t observes sur Terre : cest le cas

de la molcule tudie dans cet exercice.

1. La molcule ne contient que des atomes de carbone, dazote et dhydrogne. Ses pourcentages

atomiques en azote et en carbone sont respectivement de 20,0 % et 60,0 %. Dterminer sa for-

mule sous la forme C

x

H

y

N

z

en prcisant les relations entre x, y et z. Peut-on en dduire les

valeurs de x, y et z ?

2. La molcule ne contient quun seul atome dazote. Dterminer les valeurs de x, y et z.

3. Proposer une reprsentation de Lewis pour la molcule tudie.

16 Obtention du ttrachloromthane en phase gazeuse

En prsence de lumire, le mthane CH

4

ragit avec le dichlore Cl

2

en excs pour donner le

ttrachloromthane CCl

4

et du chlorure dhydrogne HCl.

1. crire lquation de la raction mettant en jeu une mole de ttrachloromthane.

2. Dterminer lnergie molaire de cette raction. La raction est-elle exo- ou endothermique ?

3. a. Le rle de la lumire est de casser les molcules de dichlore. Quelle est la longueur donde

maximale des radiations utilisables ?

La somme des pourcentages doit tre gale 100.

Utiliser la covalence des diffrents lments.

Se rappeler que, dans une molcule, les doublets des diffrentes liaisons ont tendance scarter au maximum

les uns des autres.

Une nouvelle ligne du tableau est utilise chaque fois que le remplissage lectronique fait intervenir une

nouvelle couche.

15

EXERCICES

Conseils

b. Y a-t-il une limite infrieure ? Justifier la rponse.

Donnes : D

C

H

= 415 kJ . mol

l

; D

C

Cl

= 327 kJ . mol

l

; D

Cl

Cl

= 243 kJ . mol

l

;

D

H

Cl

= 432 kJ . mol

l

.

Constante de Planck : h = 6,63 . 10

-34

J . s.

Constante dAvogadro :

A

= 6,02 . 10

23

mol

1.

Clrit de la lumire dans le vide : c = 3,0 . 10

8

m . s

1

.

17 Limites du modle de Lewis

On considre les molcules de bromure dhydrogne HBr (a), de trifluorure de bore BF

3

(b) et

de monoxyde dazote NO (c).

1. Dterminer le nombre dlectrons de valence des diffrents lments prsents dans ces trois

molcules.

2. Proposer une reprsentation de Lewis pour chacune de ces molcules.

3. Chaque atome adopte-t-il la structure lectronique du gaz noble qui le suit ? La rgle du duet

ou de loctet est-elle toujours respecte ?

18 Extension du modle de Lewis

1. Quel est le nombre maximal dlectrons que peut contenir une couche de numro n ?

Quen est-il pour la couche L ? pour la couche M ?

2. Le difluor (Z (F) = 9) ragit avec le phosphore (Z (P) = 15) pour donner deux composs stables

PF

x

et PF

y

.

a. Dans la molcule PF

x

, tous les atomes ont un octet lectronique. Dterminer x . crire la

formule de Lewis de la molcule. Prciser le nombre de doublets liants et non liants de cette

molcule.

b. PF

y

correspond des molcules de formule PF

5

. Sachant que tous les atomes de fluor ont un

octet lectronique, proposer une formule de Lewis pour la molcule. Prciser le nombre de

doublets liants et non liants de cette molcule.

c. Quels sont les lectrons du phosphore utiliss pour former les liaisons supplmentaires lors du

passage de PF

x

PF

5

?

3. Gnralisation : lors de la formation des liaisons chimiques, les atomes dont la couche externe

a un numro n suprieur ou gal 3, peuvent sentourer de plus de huit lectrons : on dit quil

y a extension de loctet.

Dduire, de la place des diffrents lments dans la Classification, le nombre dlectrons externes et la

valence de chaque lment.

Dterminer le nombre total dlectrons externes de la molcule et les rpartir sans oublier lexistence de

doublets non liants.

Utiliser les formules dveloppes des espces pour faire le bilan des liaisons rompues et des liaisons formes

au cours de la raction.

Relier lnergie e dun photon sa longueur donde : e = h .

'

c

'

.

Distinguer grandeurs molaires et grandeurs molculaires.

Envisager les effets de photons trs nergtiques.

Conseils

16


EXERCICES


1

Conseils


1

Un atome dont la couche externe a p lectrons peut former au maximum p liaisons covalentes

dans une molcule lectriquement neutre.

a. Par exemple, la molcule doxychlorure de phosphore a pour formule POCl

3

. Sachant que

tous les atomes de chlore ont un octet lectronique, proposer une formule de Lewis pour la

molcule. Prciser le nombre de doublets liants et non liants de cette molcule.

b. Montrer que lextension de loctet permet de justifier lexistence des deux oxydes de soufre :

SO

2

et SO

3

.

Sachant que tous les atomes doxygne ont un octet lectronique, proposer une formule de Lewis

pour ces deux molcules. Prciser le nombre de doublets liants et non liants.

Suivre les consignes donnes chaque question.

Revoir la rsolution des exercices relatifs au modle de Lewis (exercices 5, 6 et 7).

17

EXERCICES


1 Structure lectronique datomes ou dions

1. a. Latome doxygne comporte huit lectrons : deux se placent sur la

couche K qui est alors sature. Les six autres occupent la couche L : la

formule lectronique de latome doxygne ltat fondamental est

donc : (K )

2

(L)

6

. La couche externe, la couche L, serait sature par huit

lectrons.

b. Lion oxyde O

2

possde deux lectrons de plus que latome. La cou-

che L de latome ntant pas sature, ces deux lectrons se placent sur

cette couche. La formule lectronique de lion oxyde ltat fondamen-

tal est donc : (K )

2

(L)

8

.

2. a. Latome de bryllium possde quatre lectrons : deux se placent sur

la couche K qui est alors sature ; les deux lectrons restant se placent sur

la couche L. La couche externe, la couche L, comporte deux lectrons.

La formule lectronique de latome de bryllium ltat fondamental est

donc : (K )

2

(L)

2

.

b. Lion bryllium Be

2+

possde deux lectrons de moins que latome.

Les deux lectrons restants se placent sur la couche K qui est alors satu-

re. La formule lectronique de lion bryllium ltat fondamental est

donc : (K )

2

.

2 Structure lectronique de laluminium

2. a. Les structures (K )

3

(L )

6

(M )

4

et (K )

2

(L )

11

ne respectent pas la rgle

de Pauli : il nexiste pas datomes ayant cette structure.

b. (K )

2

(L )

8

(M )

3

correspond ltat fondamental de latome dalumi-

nium. Il possde trois lectrons sur sa couche externe, la couche M.

Les structures (K )

2

(L )

7

(M )

4

et (K )

1

(L )

8

(M )

4

ne correspondent pas

ltat fondamental de latome daluminium mais des tats dont lner-

gie est suprieure, appels tats excits de latome.

3 Composition datomes ou dions

1. a. Par convention, le nombre Z de protons du noyau est indiqu en

indice devant le symbole de llment ; le nombre A de nuclons

(protons et neutrons) est indiqu en exposant devant ce symbole. Le

nombre de neutrons est donc donn par (A Z ). On en dduit :

a.

21

10

Ne : 10 protons, 11 neutrons ; b.

23

11

Na : 11 protons, 12 neutrons ;

c.

93

41

Nb : 41 protons, 52 neutrons ; d.

22

10

Ne : 10 protons, 12 neutrons ;

e.

59

28

Ni : 28 protons, 31 neutrons.

2.

21

10

Ne et

22

10

Ne sont deux isotopes puisque leurs noyaux ont le mme

nombre de protons.

3. a. Le symbole P correspond llment phosphore dont le numro

atomique Z est gal 15 : le noyau comporte donc quinze protons.

La notation

31

P indique que le nombre A de nuclons du noyau est gal

31. Le noyau comprend donc 15 protons et (31 15), soit seize

neutrons.

Solutions

18

RAPPEL

Deux isotopes ont le mme

numro atomique Z, mais

des nombres de nuclons

diffrents.

Lentit possde une charge globale nulle : son nombre dlectrons est

donc gal celui de protons, soit 15.

b. Cl est le symbole de llment chlore, de numro atomique Z gal 17.

Le nombre A de nuclons est gal 37. Le noyau est donc compos de

dix-sept protons et de (37 17), soit vingt neutrons. La charge globale

tant gale e : son nombre dlectrons est donc gal (Z + 1), soit 18.

c. Ni est le symbole de llment nickel, de numro atomique Z gal

28. Le nombre A de nuclons est gal 59. Le noyau est donc compos

de vingt-huit protons et de (59 28), soit trente-et-un neutrons.

Ni

2

+

possde une charge globale gale + 2e : son nombre dlectrons

est donc gal (Z 2), soit 26.

4 Phosphure de magnsium

1. En appliquant les principes de Pauli et de construction, on obtient :

P (Z = 15) : (K )

2

(L)

8

(M)

5

; Mg (Z = 12) : (K )

2

(L)

8

(M)

2

.

2. Ion calcium Ca

2+

; ion phosphure P

3

.

3. La neutralit lectrique du cristal ncessite la prsence de trois ions

calcium Ca

2+

pour deux ions phosphure P

3

: le phosphure de calcium

a pour formule Ca

3

P

2

ou (3 Ca

2+

+ 2 P

3

).

5 Formule de Lewis du chlorure dhydrogne

1. a. En appliquant les principes de Pauli et de construction, on

obtient pour Cl : (K )

2

(L)

8

(M)

7

; pour H : (K )

1

.

b. Le chlore a sept lectrons externes, lhydrogne en a un.

2. Il leur manque un lectron chacun. Ils peuvent tablir chacun une

liaison covalente.

3. n

total

= (7 + 1) = 8, donc n

doublet

= 4.

4. Dans la molcule HCl, H possde un duet lectronique correspon-

dant au doublet liant ; Cl est entour par un octet lectronique constitu

par le doublet liant et trois doublets non liants do la formule de Lewis

ci-contre.

6 Formule de Lewis de lhydroxylamine

1. La formule lectronique de lhydrogne (Z = 1) est : (K )

1

. Il lui

manque un lectron pour obtenir un duet lectronique.

La formule lectronique de loxygne (Z = 8) est : (K )

2

(L )

6

. Il a six

lectrons externes et il lui en manque deux pour obtenir un octet lectro-

nique.

La formule lectronique de lazote (Z = 7) est : (K )

2

(L )

5

. Il a cinq

lectrons externes et il lui en manque trois pour obtenir un octet.

2. Chaque doublet liant apporte un lectron de plus latome :

latome dhydrogne obtient un duet en formant une liaison

covalente ;

latome doxygne obtient un octet en formant deux liaisons covalentes ;

latome dazote obtient un octet en formant trois liaisons covalentes.

SOLUTIONS


1

19

Formule de Lewis du

chlorure dhydrogne :

H

Cl


3. Le nombre total dlectrons externes de la molcule est :

n

total

= (1 5) + (3 1) + 6 = 14 ;

do un nombre de doublets : n

doublet

= = 7.

Trois doublets doivent tre utiliss pour assurer les trois liaisons des trois

atomes dhydrogne : deux avec latome dazote pour donner un frag-

ment H

2

N et un avec latome doxygne pour donner un fragment HO

Un doublet est utilis pour lier les deux groupes selon : H

2

N

OH

On complte alors loctet des atomes dazote et doxygne grce aux trois

doublets restants : latome dazote a un doublet non liant, celui doxy-

gne en a deux, do la formule de Lewis ci-contre.

7 Compos du silicium et du chlore

1. En appliquant les principes de Pauli et de construction, on

obtient pour Si (Z = 14) : (K )

2

(L )

8

(M )

4

.

Il manque quatre lectrons Si pour avoir un octet. Si doit donc tablir

quatre liaisons covalentes : il est ttravalent.

En procdant de mme, on obtient pour Cl (Z = 17) : (K )

2

(L )

8

(M )

7

.

Il manque un lectron Cl pour avoir un octet : Cl doit donc tablir

une liaison covalente : il est monovalent.

2. Soit Si

x

Cl

y

la formule du compos cherch. Puisque latome de sili-

cium doit former quatre liaisons covalentes alors que latome de chlore

ne peut en former quune, la formule du compos le plus simple est

obtenue en prenant x = 1 et y = 4. La formule cherche est donc : SiCl

4

.

3. La molcule a (4 + 7 4) = 32 lectrons externes, soit seize doublets.

La reprsentation de Lewis sen dduit : la molcule a quatre doublets

liants et douze doublets non liants do la formule de Lewis ci-contre.

4. Latome de silicium est entour de quatre doublets dlectrons dont la

rpulsion est minimale pour une disposition ttradrique : Si est au cen-

tre dun ttradre rgulier dont les quatre atomes de chlore occu-

pent les sommets.

8 Rgle de loctet

1. Seule la formule (d) prsente des atomes respectant les rgles du duet

et de loctet.

2. Formule (a) : loxygne nest entour que par deux doublets. Or le

nombre total dlectrons externes est :

(6 1) + (2 4) + 6 = 20.

Il manque donc deux doublets dlectrons sur le schma ; ces doublets

sont des doublets non liants qui appartiennent latome doxygne.

Formule (b) : les deux atomes de carbone ne sont entours que par trois

doublets. Or le nombre total dlectrons de valence est :

(4 1) + (2 4) = 12.

Il manque donc un doublet dlectrons sur le schma ; ce doublet est un

doublet liant partag entre les deux atomes de carbone.

14

'

2

20

SOLUTIONS


1

Formule de Lewis de

lhydroxylamine H

2

NOH :

H

H

N O H

Formule de Lewis du

ttrachlorosilane SiCl

4

:

Si

Cl

Cl

Cl

Cl

Formule (c) : le nombre total dlectrons de valence est :

(2 6) + (2 1) + 4 = 18.

Il manque donc trois doublets dlectrons sur le schma.

Lajout dun doublet liant entre C et O permet de confrer un octet la

fois latome de carbone et celui doxygne. Il reste encore deux dou-

blets placer. Ces doublets sont ncessairement des doublets non liants

appartenant lautre atome doxygne qui nest entour que par deux

doublets.

Les formules corriges sont reprsentes ci-dessous :

9 Une famille

1. Les lments appartenant la mme famille que le chlore sont les

halognes : fluor ; chlore ; brome ; iode.

Leurs atomes possdent tous sept lectrons externes.

2. a. La formule lectronique de lion chlorure Cl

scrit :

(K )

2

(L )

8

(M )

8

.

b. Les ions halognures portent tous une charge ngative qui leur conf-

re un octet externe : leur formule gnrale est donc X

.

c. Lion argent tant Ag

+

, la neutralit lectrique impose, pour les halo-

gnures dargent, la formule gnrale AgX.

3. a. Il manque un lectron au chlore pour possder un octet : sa cova-

lence est gale 1.

b. La reprsentation de Lewis de la molcule de dichlore ci-contre mon-

tre un doublet liant et six non liants. Tous les dihalognes X

2

ont la

mme structure lectronique.

4. La valence de llment phosphore, situ dans la 15

e

colonne de la

Classification, est donc (18 15) = 3. Les halognes sont tous monova-

lents. La formule gnrale du compos est donc PX

3

.

10 Famille du carbone

1. a. Pour obtenir un octet en formant des ions, le carbone peut, soit per-

dre ses quatre lectrons externes et donner des cations C

4+

, soit gagner

quatre lectrons et donner des anions C

4

. Dans les deux cas, la forma-

tion dions aussi fortement chargs est trs difficile.

Daprs la rgle de loctet, la covalence de latome de carbone est gale 4.

2. a. Les lments appartenant la mme famille que le carbone sont le

silicium Si, le germanium Ge, ltain Sn et le plomb Pb.

H C O

(a) (b) (c )

H

H

H

C

H

H

H

H

C

O

O

C

H

H

C

H

H

SOLUTIONS


1

21

Formules de Lewis du

dichlore (a) et du diiode (b) :

(a)

II

(b)

Cl Cl

Aide

Larrachement dlectrons

une espce charge positive-

ment est rendue plus difficile

par les interactions lectrosta-

tiques attractives.


b. Ces lments sont ttravalents alors que loxygne est divalent : la for-

mule de loxyde que donnent ces diffrents lments comporte donc

deux atomes doxygne : CO

2

; SiO

2

; GeO

2

; SnO

2

; PbO

2

.

11 Famille du lithium

1. Les lments appartenant la mme famille que le lithium sont le

sodium Na, le potassium K, le rubidium Rb, le csium Cs et le fran-

cium Fr. Ils constituent la famille des mtaux alcalins.

Les atomes de tous les alcalins possdent un seul lectron sur leur cou-

che lectronique externe.

2. a. En perdant un lectron, llment lithium acquiert la structure

lectronique en duet de lhlium, gaz noble qui le prcde dans la

Classification. Lion lithium Li

+

a donc pour formule lectronique : (K )

2

.

b. En perdant un lectron, chacun de ces lments acquiert la structure

lectronique du gaz noble qui le prcde dans la Classification ; tous les

ions portent une charge lmentaire.

c. Lion oxyde ayant pour formule O

2

, la neutralit lectrique du cris-

tal ncessite la prsence de deux cations alcalins M

+

pour un ion oxyde :

les oxydes ont pour formule M

2

O ou (2 M

+

+ O

2

).

12 Combustion du mthanol

1. Lquation de la combustion du mthanol scrit :

2 CH

4

O (g) + 3 O

2

(g) = 2 CO

2

(g) + 4 H

2

O (g)

2. Les formules dveloppes des diffrentes espces sont les suivantes :

3. Le passage des ractifs aux produits ncessite la rupture de six moles

de liaisons CH, deux moles de liaisons CO et trois moles de liaisons

OO, puis la formation de six moles de liaisons OH(*) et de quatre

moles de liaisons C=O. Lnergie molaire de raction est :

E

r

= (6 D

C

H

+ 2 D

C

O

+ 3 D

O

=

O

) ( 6 D

O

H

+ 4 D

C

=

O

)

E

r

= (6 415 + 2 356 + 3 498) (6 463 + 4 804)

E

r

= 1 298 kJ . mol

- 1

.

La raction de combustion est trs exothermique.

13 lment et isotopes

1. a. Y est le potassium K, de numro atomique Z = 19. K appartient

la famille des (mtaux) alcalins.

b. Latome de potassium possde dix-neuf lectrons. Le potassium tant

le premier lment de la 4

e

priode de la Classification, il possde un

2 H C

H

H

O H O O3+ + OO O H HC2 4

=

22

SOLUTIONS


1

Aide

(*) La molcule de mthanol

prsente une liaison OH et la

molcule d'eau en prsente

deux. Les six liaisons OH for-

mes, prises en compte, cor-

respondent en fait au bilan :

4 2 2 1

eau mthanol

lectron sur la 4

e

couche, la couche N ; sa structure lectronique est

donc : (K )

2

(L )

8

(M )

8

(N )

1

.

c. En perdant un lectron, K donne K

+

: (K )

2

(L )

8

(M )

8

. K

+

a un octet

comme le gaz noble argon.

2. a. 39 est le nombre A de nuclons du noyau encore appel nombre de

masse : le noyau contient donc trente-neuf nuclons. Z = 19 est le nom-

bre de protons ; le noyau contient donc vingt neutrons.

b. Des isotopes sont des atomes ayant le mme nombre de protons mais

des nombres de neutrons diffrents.

Les proprits chimiques sont dtermines par la structure lectronique

externe des atomes. Les isotopes ont la mme structure lectronique et

donc les mmes proprits chimiques.

Les proprits nuclaires sont dtermines par la structure du noyau des

atomes. Les isotopes nont pas le mme noyau, ils ont donc des propri-

ts nuclaires diffrentes. Ainsi,

40

K est radioactif alors que

39

K et

41

K

sont des noyaux stables.

14 Formule de lhydrazine

1. Latome dazote peut former trois liaisons et latome dhydrogne une.

Comme la molcule comporte quatre atomes H, elle doit comporter

plusieurs atomes dazote. Soit deux atomes dazote unis par une liaison

covalente simple ; chacun deux pouvant encore se lier deux atomes

dhydrogne. La molcule obtenue, de formule N

2

H

4

, satisfait aux cri-

tres de lnonc.

2. La molcule N

2

H

4

a (2 5 + 4) = 14 lectrons externes, soit sept dou-

blets. Daprs 1., la molcule comporte cinq doublets liants ; il reste

deux doublets non liants, un sur chaque atome dazote do la formule

de Lewis ci-contre.

3. Comme dans la molcule dammoniac, la disposition des liaisons

autour de chaque atome dazote est pyramidale : la molcule nest donc

pas plane.

15 Molcule interstellaire

1. Pour C

x

H

y

N

z

, les pourcentages atomiques sont donns par :

% C = ; % H = ; % N = .

La molcule ne comportant que les lments C, H et N, on a :

% C + % H + % N = 100.

Comme % N = 20 et % C = 60, on en dduit : % H = 20.

On a donc : x = 3z = 3y . La formule cherche est : C

3y

H

y

N

y

.

Pour dterminer y , il faut disposer dune information supplmentaire.

2. On a donc : x = 3 ; y = z = 1. La formule brute de la molcule sen

dduit : C

3

NH .

3. La seule formule compatible avec la valence des diffrents lments est

reprsente ci-contre.

z

'

x + y + z

y

'

x + y + z

x

'

x + y + z

SOLUTIONS


1

23

La couche M (n = 3) peut

accueillir 2n

2

= 18 lectrons au

maximum . Le remplissage de

la couche N commence donc

alors que la couche M nest pas

sature.

SUP

Formule de Lewis

de lhydrazine :

H N

H

N

H

H

Formule de Lewis

de la molcule interstellaire

tudie :

H C C C N


16 Obtention de CCl

4

en phase gazeuse

1. quation de la raction :

CH

4

(g) + 4 Cl

2

(g) = CCl

4

(g) + 4 HCl (g)

2. Le passage des ractifs aux produits ncessite la rupture de quatre

moles de liaisons CH et quatre moles de liaisons ClCl, puis la for-

mation de quatre moles de liaisons CCl et quatre moles de liaisons

HCl. Lnergie molaire de raction est :

E

r

= 4 (D

C

H

+ D

Cl

Cl

D

C

Cl

D

H

Cl

) = 404 kJ . mol

- 1

.

La raction est exothermique.

3. a. Lnergie dun photon de longueur donde est : e = . Les radia-

tions utilises permettent la dissociation des molcules de dichlore si

lnergie dun de leur photon est suprieure ou gale lnergie de dis-

sociation dune molcule de dichlore. La longueur donde maximale des

radiations utilisables est donc telle que :

, soit Q

A

. .

Q 6,02 . 10

23

M N

; do Q 493 nm.

b. Ces radiations ne doivent pas provoquer la dissociation des molcu-

les formes, en particulier de CCl

4

; on doit donc avoir :

, soit Q 366 nm.

17 Limites du modle de Lewis

1. Les lments H, B, N, O se trouvent respectivement dans les colon-

nes 1, 13, 15 et 16. Leurs atomes ont donc respectivement 1, 3, 5 et 6

lectrons de valence. F et Br se trouvent dans la colonne 17 : leurs ato-

mes ont donc sept lectrons de valence.

2. a. Le bromure dhydrogne HBr a huit lectrons de valence : un dou-

blet liant unit les atomes H et Br et il reste trois doublets non liants sur

latome de brome. H possde alors une structure lectronique en duet

comme lhlium ; Br est entour par un octet lectronique comme le gaz

noble krypton.

b. La molcule BF

3

a (3 + 3 7) = 24 lectrons de valence, soit douze

doublets. Chaque atome de fluor ne peut tablir quune liaison : les liai-

sons BF, ncessairement simples, ncessitent trois doublets. Il en reste

neuf, ce qui permet de complter loctet de tous les atomes de fluor. En

revanche, latome de bore na pas doctet : il prsente une lacune

lectronique (reprsent par un petit rectangle vide).

c. La molcule NO a onze lectrons de valence, soit cinq doublets et un

lectron clibataire. Latome doxygne tant divalent, deux doublets

assurent la liaison double N=O. On complte loctet de latome doxy-

D

C

Cl

'

A

h .c

'

Q

6,63 . 10

34

3,0 . 10

8

'''

243 10

3

h .c

'

D

ClC l

D

Cl

Cl

'

A

h .c

'

Q

h .c

'

Q

24

SOLUTIONS


1

Aide

Distinguer le niveau

macroscopique et le niveau

molculaire.

Formules de Lewis :

du bromure dhydrogne :

du trifluorure de bore :

du monoxyde dazote :

N

O

B FF

F

H Br

gne avec deux doublets non liants, mais il ne reste, pour latome dazo-

te, que trois lectrons non liants, un doublet et un lectron clibataire

(reprsent par un point).

Dans la molcule NO, latome dazote ne suit pas la rgle de loctet.

18 Extension du modle de Lewis

1. Daprs le principe de Pauli, le nombre maximal dlectrons que peut

contenir une couche de numro n est 2n

2

. La couche L (n = 2) peut en

contenir 8, la couche M (n = 3) peut en contenir 18.

2. a. F (Z = 9) a pour structure lectronique : (K )

2

(L )

7

; sa covalence

est gale 1. P (Z = 15) a pour structure lectronique : (K )

2

(L )

8

(M )

5

;

sa covalence est gale 3. PF

x

est donc le trifluorure de phosphore PF

3

.

Sa formule de Lewis est reprsente ci-contre.

La molcule comporte (3 7 + 5) = 26 lectrons externes, soit treize

doublets. Trois doublets sont liants et dix sont non liants : chaque atome

de fluor en porte trois et latome de phosphore en porte un.

b. La formule de Lewis de la molcule de pentafluorure de phosphore

PF

5

est indique ci-contre. La molcule comporte (5 7 + 5) = 40

lectrons de valence, soit vingt doublets. Cinq doublets sont liants et

quinze sont non liants : chaque atome de fluor en porte trois et latome

de phosphore nen a plus.

c. Les lectrons du phosphore utiliss pour former les liaisons suppl-

mentaires lors du passage de PF

x

PF

5

sont ceux du doublet non liant

du phosphore dans la molcule de PF

3

.

3. a. La molcule doxychlorure de phosphore, de formule POCl

3

,

comporte (3 7 + 5 + 6) = 32 lectrons externes, soit seize doublets.

Cinq doublets sont liants et onze sont non liants : chaque atome de fluor

en porte trois et latome doxygne deux.

b. La molcule de dioxyde de soufre, de formule SO

2

, comporte

(3 6) = 18 lectrons externes, soit neuf doublets. La covalence de

loxygne tant gale 2, latome de soufre forme deux liaisons doubles

S=O. La molcule comporte donc quatre doublets liants et cinq dou-

blets non liants : chaque atome doxygne en porte deux et latome de

soufre un.

La molcule de trioxyde de soufre, de formule SO

3

, comporte

(4 6) = 24 lectrons externes, soit douze doublets. Latome de soufre

forme trois liaisons doubles S=O. La molcule comporte donc six

doublets liants et six non liants : chaque atome doxygne en porte deux

et latome de soufre aucun.

SOLUTIONS


1

25

Formule de Lewis

du trifluorure de phosphore :

F

P FF

Formule de Lewis du

pentafluorure de phosphore :

P F

F

FF

F

Formule de Lewis :

de loxychlorure de

phosphore :

du dioxyde de soufre :

du trioxyde de soufre :

S

O

O

O

S

O O

P

O

Cl

Cl

Cl


26

2

Raction chimique,

quation chimique,

avancement de raction

LES OBJECTIFS

Savoir dterminer la composition dun systme (en quantit de

matire, concentration, masse,) laide dun tableau davancement

LES OUTILS MATHMATIQUES ET PHYSIQUES

Connatre lquation du gaz parfait

Savoir exprimer un rsultat avec le bon nombre de chiffres signi-

ficatifs

1 Quelques dfinitions

Une mole dentits lmentaires (atomes, molcules, ions, ) est la quan-

tit de matire dun systme comportant 6,02 . 10

23

entits lmentaires.

Le nombre N dentits lmentaires contenues dans un systme est

proportionnel la quantit de matire n correspondante exprime en

mole (mol) :

N =

A

. n.

A

est la constante dAvogadro :

A

= 6,02 10

23

mol

1

.

La masse molaire atomique M (X ) dun lment X est la masse

dune mole datomes de cet lment, les proportions des diffrents iso-

topes tant celles que lon rencontre dans la nature. Elle sexprime en

gramme par mole (g. mol

1

).

La masse molaire molculaire M (A) dune espce molculaire A est

la masse dune mole de ses molcules. Elle sexprime en gramme par

mole (g . mol

1

).

Elle est gale la somme des masses molaires atomiques des atomes

prsents dans la molcule.

2 Dtermination dune quantit

de matire

Pour toute espce chimique A

partir de la masse m(A) :

La quantit de matire dune espce A est dtermine par la relation :

n (A ) =

'

M

m(

(

A

A

)

)

'

.

g

mol g . mol

1

La masse molaire atomique de ll-

ment chlore tient compte de labon-

dance naturelle de deux isotopes :

75,8 % de chlore 35 ;

24,2 % de chlore 37.

M = 0,758 35,0 + 0,242 37,0

M = 35,5 g . mol

1

.

Exemple : Masse molaire atomique

de llment chlore.

RAPPEL

Calcul d'une masse molaire

Dans le calcul dune masse molaire,

il faut tenir compte de tous les

atomes prsents :

Ainsi :

M (CuSO

4

, 5 H

2

O)

= M(Cu) + M (S) + 4M (O) +

10M (H) + 5M (O)

M = 249,6 g . mol

1

.

27

ESSENTIEL

2

ESSENTIEL

2

partir de la masse volumique R(A) :

La masse volumique R (A ) dune espce A est gale au quotient de la

masse m (A) de cette espce par son volume V (A ).

R (A ) = soit m (A ) = R (A ) . V (A ).

On en dduit : n (A) = = .

Pour une espce chimique A liquide ou solide

partir de la densit par rapport leau d (A ) :

La densit par rapport leau dune espce A est gale au quotient de

la masse volumique R (A ) de lespce A par la masse volumique R

0

de

leau :

d (A ) = . soit R (A ) = d (A ) . R

0

On en dduit : n (A) = = .

Voir exercice n 1

3 Proprits des gaz

quation du gaz parfait

Les grandeurs caractristiques dun gaz sont relies par la relation :

o R est la constante des gaz parfaits : R = 8,314 J . mol

1

. K

1

.

Volume molaire V

m

des gaz

Le volume molaire dune espce A est le volume occup par une mole

de cette espce.

Dans les mmes conditions de temprature et de pression, le volu-

me molaire V

m

de tous les gaz est le mme.

0 C, sous une pression de 1,013 10

5

Pa, V

m

= 22,4 L . mol

1

(doc. 1).

Voir exercices n

os

2 et 3

mol n (gaz) =

'

V

V

m

'

.

L

L . mol

1

Pa (pascal) K (kelvin)

p.V = n . R .T.

m

3

mol

d (A ) . R

0

.V (A )

''

M (A )

R (A ) . V (A )

''

M (A )

R (A )

'

R

0

R (A ) . V (A )

''

M (A )

m (A )

'

M(A )

m (A )

'

V (A )

Raction chimique, quation chimique, avancement de raction

R(A ) = 1 049 kg . m

3

;

R(A ) = 1,049 kg . L

1

;

R(A ) = 1049 g . L

1

;

R(A ) = 1,049 g . mL

1

.

Exemple : Masse volumique de

lacide actique exprime en

diffrentes units

RAPPEL

La densit est un nombre sans

dimension. Elle sexprime sans unit.

RAPPEL

Conversions utiles :

1 m

3

= 10

3

L ;

1 L = 1 dm

3

;

1 L = 10

3

mL ;

1 mL = 1 cm

3

.

1 bar = 10

5

Pa ;

1 bar = 10

3

hPa.

T (K) = N (C) + 273.

REMARQUE

La masse volumique R

0

de leau vaut :

R

0

= 1,00 kg . L

1

,

R

0

= 1,00 g . mL

1

.

Le volume molaire V

m

se calcule

partir de lquation du gaz parfait :

V

m

=

avec : p = 1,013 10

5

Pa ;

T = 273 K ;

R = 8,314 J . mol

1

. K

1

.

Do : V

m

= 22,4 10

3

m

3

. mol

1

soit : V

m

= 22,4 L . mol

1

.

R .T

'

p

Doc. 1 Calcul du volume molaire

des gaz 0 C et 1,013 bar.


ESSENTIEL


2

28

RAPPEL

Il ne faut pas confondre

concentration molaire de la solution

et concentration effective.

Par exemple, dans une solution de

chlorure de cuivre (II) (CuCl

2

) de

concentration C :

[Cu

2+

] = C et [Cl

] = 2C.

RAPPEL

Il est possible de calculer la concen-

tration molaire partir de la concen-

tration massique et inversement. En

effet :

t (A ) = ;

t (A ) = ;

t (A ) = C (A ) .M (A ).

n (A ) .M (A)

''

V

m (A)

'

V

RAPPEL

Au cours dune dilution, la quantit

de solut est constante.

C

0

. V

0 solution mre

= C . V

solution fille

REMARQUE

Dans lcriture de la raction entre les

ions iodure fer (III) Fe

3+

et iodure I

:

2 Fe

3+

(aq) + 2 I

(aq)

= 2 Fe

2+

(aq) + I

2

(aq)

les nombres stchiomtriques ajusts

assurent la conservation des lments

fer et iode et la conservation des

charges.

4 Les solutions aqueuses

Une solution aqueuse est obtenue par dissolution de solut(s) dans

le solvant eau.

La concentration molaire dun solut A apport, note C (A ),

appele aussi concentration molaire de la solution en A, est gale au

quotient de la quantit de matire de solut A dissoute par le volume

V de solution.

La concentration molaire effective dune espce X prsente dans

la solution est note [X ] :

La concentration massique ou titre massique dun solut A

apport, note t (A ) , est gale au quotient de la masse de solut A

dissoute par le volume V de solution :

Lors de la dilution dune solution dite solution mre, le facteur de

dilution est gal au quotient de la concentration C

0

de la solution

mre par la concentration C de la solution fille :

F = = .

Voir exercices n

os

4 et 5

5 Transformation, raction et

quation chimiques

Ltat dun systme chimique est dfini par la nature des espces

chimiques qui le composent, leur quantit, leur tat physique (solide,

liquide, gaz, solution), la temprature et la pression.

La transformation chimique est le passage dun systme chimique

dun tat initial un tat final. Au cours dune transformation, certai-

V

solution fille

''

V

0 solution mre

C

0

'

C

g . L

1

t (A ) =

'

m

V

(A

so

)

lu

d

t

i

i

s

o

s

n

oute

'

.

g

L

mol . L

1

[X ] =

'

n(

V

X

so

)

l

p

u

r

ti

o

se

n

nte

'

.

mol

L

mol . L

1

C (A ) =

'

n(

V

A

so

)

lu

d

t

is

io

so

n

ute

'

.

mol

L

ESSENTIEL

29

nes espces chimiques sont consommes : ce sont les ractifs. Dautres

espces sont formes : ce sont les produits.

La raction chimique modlise le passage des ractifs aux produits.

Lquation chimique est lcriture symbolique de la raction

chimique.

Les nombres stchiomtriques dune quation chimique doivent

tre ajusts pour respecter la conservation des lments et la conserva-

tion des charges.

Lavancement de la raction, not x et exprim en mole, permet

de dterminer les quantits de matire des ractifs et des produits au

cours de la transformation et dans ltat final.

Dans ltat final, lavancement est appel avancement final. Il est not

x

f

.

Dans le cas dune transformation totale, ltat final correspond

la disparition dun des ractifs appel ractif limitant. Lavancement

final est alors gal lavancement maximal x

max

.

Exemples : recherche de ractif limitant :

Dans ltat final de cette transformation totale :

lavancement maximal est atteint : x

f

= x

max

;

un des ractifs est entirement consomm alors que la quantit de

lautre ractif est videmment positive.

On doit donc avoir :

soit 0,24 2 x

f

0, ce qui entrane x

f

0,12 mol ;

soit 0,30 3 x

f

0, ce qui entrane x

f

0,10 mol.

Il faut choisir x

f

= x

max

= 0,10 mol 0,12 mol.

Dans ce cas, le soufre est le ractif limitant.

n

f

(Al) = 0,04 mol, n

f

(S) = 0 mol et n

f

(Al

2

S

3

) = 0,10 mol.

Un mlange est stchiomtrique si les quantits de matire des

ractifs dans ltat initial sont dans les proportions stchiomtriques

de ces ractifs dans lquation de la raction. Tous les ractifs sont alors

entirement consomms la fin dune transformation totale.


2

quation de la raction 2 Al (s) + 3 S (s) = Al

2

S

3

(s)

tat initial (mol) 0,24 0,30 0

tat en cours de

0,24 2x 0,30 3x x

transformation (mol)

tat final (mol) 0,24 2 x

f

0,30 3 x

f

x

f

RAPPEL

La nature du ractif limitant

dpend :

des quantits initiales de ractifs

mises en jeu ;

de la stchiomtrie de la raction,

cest--dire des nombres stchiom-

triques de chacun des ractifs.

RAPPEL

Dans le cas dune transformation

totale, lavancement final est gal

lavancement maximal : cest la plus

petite valeur de lavancement qui

annule les quantits de matire des

ractifs.

REMARQUE

Les transformations non totales sont

tudies au chapitre 4.


30

ESSENTIEL


2

Exemple : relation lquivalence dun dosage :

Le mlange est stchiomtrique si n

f

(I

2

) = 0 et n

f

(S

2

O

3

) = 0.

Il en dcoule :

x

f

= n

i

(I

2

) = .

Voir exercices n

os

6 et 7

n

i

(S

2

O

3

2

)

''

2

quation de la raction I

2

(aq) + 2 S

2

O

3

2

(aq) = 2 I

(aq) + S

4

O

6

2

(aq)

tat initial (mol) n

i

(I

2

) n

i

(S

2

O

3

2

) 0 0

tat en cours de

transformation (mol)

n

i

(I

2

) x n

i

(S

2

O

3

2

) 2x 2x x

tat final (mol) n

i

(I

2

) x

f

n

i

(S

2

O

3

2

) 2x

f

2x

f

x

f

RAPPEL

Pour une raction dquation :

a A + b B = c C + d D

un mlange initial est stchiom-

trique si :

= .

n

i

(B)

'

b

n

i

(A)

'

a

Pour des espces en solution, on peut

utiliser lavancement volumique x

v

gal au quotient de lavancement x

par le volume V de la solution :

x

v

=

Il sexprime en mol . L

1

.

x

'

V

SUP

Exercices

31

Conseils

Conseils

Conseils

Pour faire le point

1 Prparation dune solution dammoniac

Ltiquette dun flacon commercial contenant une solution dammoniac NH

3

comporte les indi-

cations suivantes : densit d = 0,90 et pourcentage en masse P = 28 %.

1. Quelle est la concentration molaire de solut apport dans cette solution ?

2. Indiquer le mode opratoire pour prparer partir de la solution commerciale une solution

S

1

de volume V

1

= 200,0 mL, de concentration molaire C

1

= 0,50 mol . L

1

.

Donne : masse volumique de leau R

0

= 1,00 g . mL

1

.

2 Composs gazeux

1. Un flacon de volume V = 2,0 L, reli un manomtre, contient du dioxyde de carbone la

temprature de 20 C. Le manomtre indique une pression p = 1,22 bar.

a. Dterminer la quantit de dioxyde de carbone contenu dans le flacon.

b. Quelle est la masse de dioxyde de carbone dans le flacon ?

2. Un flacon identique au prcdent, la mme temprature, renferme la mme masse de

mthane CH

4

.

Quelle est la pression p indique par le manomtre ?

3. Les deux gaz prcdents, qui ne ragissent pas lun avec lautre, sont runis dans un flacon de

volume V

1

= 3,0 L.

Dterminer la pression p

1

lintrieur du flacon maintenu la temprature de 20 C.

3 Mlange gazeux

1. Un rcipient de volume V = 5,0 L contient un mlange gazeux constitu de mthane CH

4

et dthylne C

2

H

4

. Dans les conditions exprimentales, le volume molaire gazeux V

m

vaut

25,0 L . mol

1

.

Calculer la quantit totale n de gaz contenu dans le rcipient.

2. La masse totale m de gaz est gale 4,0 g.

Dterminer les quantits n

1

et n

2

de mthane et dthylne.

Utiliser la dfinition et la valeur du volume molaire gazeux pour obtenir n.

tablir un systme de deux quations deux inconnues, n

1

et n

2

, en utilisant la quantit totale de gaz n ,

puis la masse totale m.

Prendre garde aux units.

Rechercher la quantit de gaz contenue dans chaque flacon.

Calculer dab

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Objectif prépa Chimie