FORMATIF EXAMEN 1 - CHIMIE SN1 - Hiver 2024 Pondération : 10 + 5 % Durée : 100 minutes Matière évaluée : L’atome moderne, configuration électronique, propriétés périodiques, types de liaison, structure de Lewis, résonance, Expérience A et B Portfolio à réviser avant l’examen 1 : PF 1-1, 2-1, 2-2, 2-3, 2-4, 3-1 et 3-2 Matériel disponible à l’examen 1 : Tableau périodique et ions polyatomiques Les questions du premier test formatif vous aideront à vous faire une idée approximative de la nature et du niveau de difficulté des questions que vous pourrez rencontrer à l’examen. Il est fortement conseillé de faire les exercices du manuel avant de vous attaquer à ce test formatif. De cette façon, en faisant le test formatif, vous pourrez voir les éléments de contenu que vous avez besoin d’approfondir, et vous pourrez vous faire une idée de la performance à laquelle vous pourrez vous attendre à l’examen. Le temps nécessaire pour faire le test formatif ne représente pas la durée de l’examen. Question 1 Le modèle atomique de Bohr et celui de Schrödinger (qu’on appelle aussi le modèle probabiliste) ont des aspects en communs et d’autres aspects qui les différencient. Nommez un aspect en commun entre ces deux modèles, puis nommez un aspect qui les différencie. Question 2 Combien peut-il y avoir : a) D’orbitales dans n = 2 ? b) D’orbitales dans 3p ? c) D’électrons dans 2d ? d) D’électrons dans n = 5 et s = ½ Question 3 Parmi les affirmations suivantes, encerclez celle qui est vraie. a) Les orbitales d sont de forme sphérique. b) Les orbitales p sont de forme sphérique. c) Le nombre quantique magnétique décrit l’orientation des orbitales. d) Le nombre quantique magnétique décrit la taille des orbitales. Question 4 Parmi les combinaisons de nombres quantiques suivantes, trouvez laquelle ou lesquelles sont impossibles et corrigez-les de façon à les rendre possibles. Version corrigée, si nécessaire a. n = 4, ℓ = 2, m = -3, s = +1/2 b. n = 3, ℓ = 3, m = 1, s = -1/2 c. n = 2, ℓ = 1, m = -1, s = +1/2 Question 5 Parmi les énoncés suivants, lequel ou lesquels sont vrais? i. ii. iii. Deux orbitales de type p qui diffèrent par leur nombre quantique magnétique seulement ont une taille identique. Une combinaison de nombres quantiques n, ℓ et m définit une sous-couche. Une orbitale s a un niveau d’énergie plus bas qu’une orbitale p dans les atomes polyélectroniques. A. B. C. D. i et ii seulement i et iii seulement ii et iii seulement i, ii et iii Question 6 Remplissez le tableau suivant en donnant la configuration électronique demandée pour chacune des espèces. Répondez ensuite aux questions ci-dessous à partir des atomes et de l’ion. Atome Notation Ra spdf complète Si spdf abrégée Ni cases quantiques complète Ni2+ cases quantiques abrégée Cr cases quantiques abrégée Configuration électronique a. Classez les atomes et l’ion du numéro 5 en ordre croissant de rayon. Expliquez votre classement. b. Lequel de ces atomes a la plus grande énergie de première ionisation? Expliquez votre réponse. c. Lequel de ces atomes a la plus faible électronégativité? Expliquez votre réponse. d. Lequel de ces atomes a les énergies d’ionisations suivantes : I1=786 kJ, I2=1577 kJ, I3=3228 kJ, I4=4354 kJ, I5=16 100 kJ, I6=19 800 kJ? e. Lequel de ces atomes possède le plus d’électrons célibataires dans une sous-couche ℓ = 2? f. Lequel de ces atomes a le plus d’électrons de cœur? g. Lequel ou lesquels de ces atomes sont des métaux de transition? Question 7 Soit les éléments suivants : Ca, Rb, Se, N et Zn a. Donnez leurs ions les plus stables. b. Dessinez les configurations électroniques, par notation abrégée cases quantiques, de ces ions. Question 8 Parmi les éléments représentés dans le tableau ci-dessous, identifiez par son symbole celui qui correspond à chaque énoncé. Laissez des traces de votre démarche ou une courte explication. H Li He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Se Br Kr K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Rb Sr I Xe Cs Ba At Rn Fr Ra a) J’ai 5 électrons de valence et 10 électrons de cœur. b) Je suis l’élément le plus électronégatif de la 3e période. c) Je possède la plus petite énergie de première ionisation des éléments de ma période et les plus gros atomes des éléments de mon groupe. d) Je suis le métal de la troisième période qui possède les plus petits atomes. e) Je suis l'élément qui, à l’état fondamental, a son dernier électron seul dans la souscouche définie par n = 4 et ℓ = 1. f) Je suis l’élément de la 2e période possédant la plus grande énergie de 4e ionisation. Question 9 Parmi les composés ioniques suivants, lequel a une enthalpie de réseau la plus élevée. Expliquez votre choix. RbBr, MgO et NaCl Question 10 Soit la liste de substances (dessins ou formules chimiques) suivante : 1) Sirop d’érable (composé de sucre et d’eau) 2) NH4NO2 3) Jus d’orange avec beaucoup de pulpes 4) H2SO4 7) 5) Ni 8) 6) N2 9) 10) 11) 12) Pour chacune des questions, trouvez un dessin et une formule chimique qui représente le mieux possible ces types de matière : a) Un composé ionique : _______________________________________________ b) Un élément atomique : ______________________________________________ c) Un composé moléculaire : ___________________________________________ d) Un mélange hétérogène : ___________________________________________ Question 11 Déterminez parmi les trois structures de Lewis suivantes, laquelle est la meilleure pour représenter le HNO2. Justifier votre choix. A B C O N O H O N O O N O H H Question 12 Écrivez la structure Lewis la plus probable pour les composés et ions ci-dessous. Indiquer les charges formelles pour chaque atome lorsque le résultat est différent de 0 a) BCl3 b) XeBr4 c) HNO3 d) K3PO4 e) SCN - f) NH2CCCOOH Question 13 Donnez une structure de résonance ainsi que l’hybride de résonance pour une entité du numéro 12. Question 14 Votre amie Catherine, qui étudie en sciences de la nature dans un autre cégep, vous contacte pour avoir votre aide avec son laboratoire de chimie. « Dans mon prochain laboratoire, je dois analyser l’eau d’un puits pour déterminer si elle est potable, dit Catherine. Pour être potable, l’eau ne doit pas contenir d’ions nitrites ni d’ions sulfites. Le prof dit que ces ions sont toxiques, donc si l’eau en contient, elle n’est pas potable. » Elle vous montre alors le texte de laboratoire, qui explique les manipulations à réaliser. Catherine continue en vous expliquant le travail préparatoire qu’elle doit réaliser : « En plus des témoins positifs, notre prof nous a demandé de faire des témoins négatifs. Est-ce que je suis obligée d’en faire un pour chaque test, ou je peux faire un seul témoin négatif pour les deux tests? » a) Qu’en pensez-vous? Répondez à la question de Catherine en lui expliquant ce qu’est un témoin négatif et dites-lui comment procéder pour son laboratoire. b) Pour l’aider davantage, expliquez-lui aussi comment elle devra analyser ses résultats une fois qu’elle les aura obtenus et comment elle pourra les utiliser pour conclure sur l’objectif du laboratoire. CORRIGÉ Question 1 Le modèle atomique de Bohr et celui de Schrödinger (qu’on appelle aussi le modèle probabiliste) ont des aspects en communs et d’autres aspects qui les différencient. Nommez un aspect en commun entre ces deux modèles, puis nommez un aspect qui les différencie. Aspect commun : les électrons sont à des distances variables du noyau, dans ce que les deux modèles appellent des couches électroniques. Aspect différent : dans le modèle de Schrödinger, les électrons sont à la fois une onde et une particule qui vibrent dans un nuage électronique (orbitale), tandis que dans le modèle de Bohr, les électrons sont des particules qui occupent des niveaux d’énergie fixe (orbite). Question 2 Combien peut-il y avoir : a) D’orbitales dans n = 2 ? 4 orbitales (2s a une orbitale et 2p a trois orbitales) b) D’orbitales dans 3p ? trois orbitales (n=3 et l=1, donc les possibilités de ml sont -1, 0 et +1) c) D’électrons dans 2d ? aucun, cette sous-couche n’existe pas d) D’électrons dans n = 5 et s = ½ ? 25 électrons (pour trouver le nombre des orbitales n2 = 25 orbitales et puisque le s = ½ donc le nombre d’orbitales sera pareil que le nombre d’électrons) Question 3 Parmi les affirmations suivantes, encerclez celle qui est vraie. a) Les orbitales d sont de forme sphérique. Faux : ce sont les orbitales s qui sont sphériques. b) Les orbitales p sont de forme sphérique. Faux : ce sont les orbitales s qui sont sphériques. c) Le nombre quantique magnétique décrit l’orientation des orbitales. Vrai. d) Le nombre quantique magnétique décrit la taille des orbitales. Faux : c’est le nombre quantique principal qui décrit la taille des orbitales. Question 4 a. Parmi les combinaisons de nombres quantiques suivantes, trouvez laquelle ou lesquelles sont impossibles et corrigez-les de façon à les rendre possibles. Version corrigée, si nécessaire (Notez que ce ne sont que des exemples de versions corrigées.) n = 4, ℓ = 2, m = -3, s = +1/2 n = 4, ℓ = 2, m = -2, s = +½ b. n = 3, ℓ = 3, m = 1, s = -1/2 n = 3, ℓ = 2, m = 1, s = -½ c. n = 2, ℓ = 1, m = -1, s = +1/2 OK Question 5 Parmi les énoncés suivants, lequel ou lesquels sont vrais? i. ii. iii. Deux orbitales de type p qui diffèrent par leur nombre quantique magnétique seulement ont une taille identique. vrai (le nombre quantique magnétique différencie les orbitales selon leur orientation, pas selon leur taille). Une combinaison de nombres quantiques n, ℓ et m définit une sous-couche. faux (ces trois nombres définissent une orbitale et non une sous-couche, qui, elle, est définie par les nombres quantiques n et ℓ uniquement). Une orbitale s a un niveau d’énergie plus bas qu’une orbitale p dans les atomes polyélectroniques. vrai (les orbitales de type s sont plus près du noyau que les orbitales de type p, ainsi, elles ont un niveau d’énergie plus bas). A. B. C. D. Question 6 i et ii seulement i et iii seulement ii et iii seulement i, ii et iii a. Classez les atomes et l’ion du numéro 5 en ordre croissant de rayon. Expliquez votre classement. Si < Ni2+ < Ni < Cr < Ra. Plus un atome a un petit nuage électronique, plus son rayon est petit. Donc, le Si est en première position car il est un élément de la 3ème période, et le Ra est en dernière position, puisqu’il est un élément de la 7ème période. Pour Ni2+, Ni et Cr qui sont tous sur la 4ème période, on doit compter les protons. Parmi ceuxci, le Cr a moins de protons dans son noyau, donc l’attraction de son noyau envers la couche n=4 est moins grande, ce qui lui confère un plus grand rayon. Finalement, pour Ni et Ni2+, le rayon d’un cation est toujours plus petit que le rayon de son élément neutre car il contient moins d’électrons pour le même nombre de protons. b. Lequel de ces atomes a la plus grande énergie de première ionisation? Expliquez votre réponse. Si. Entre les éléments atomiques précédents, Si a un plus petit rayon (voir a.), donc les électrons de valence sont plus près du noyau que les autres. Il est alors plus difficile d’arracher un électron à cet élément, puisque le noyau a beaucoup d’effet d’attraction sur ceux-ci. L’énergie de 1ère ionisation est alors plus grande en comparaison. c. Lequel de ces atomes a la plus faible électronégativité? Expliquez votre réponse. Ra. Comme il s’agit d’un élément de la 7ème période, les électrons sont très éloignés du noyau et le Zeff est faible. L’élément a donc une faible électronégativité. On peut le voir par la valeur d’électronégativité inscrite directement dans le tableau périodique. En effet, le Ra a un EN de 0,9 et c’est bien la plus petite valeur observée parmi les différents choix offerts. d. Lequel de ces atomes a les énergies d’ionisations suivantes : I1=786 kJ, I2=1577 kJ, I3=3228 kJ, I4=4354 kJ, I5=16 100 kJ, I6=19 800 kJ? Si. Les 4 premières énergies d’ionisations données sont plus faibles ce qui signifie que l’élément a 4 électrons de valence. L’augmentation importante entre les énergies de la 4 ème et 5ème ionisation montre qu’un électron de cœur est arraché lors de la 5ème ionisation. e. Lequel de ces atomes possède le plus d’électrons célibataires dans une sous-couche ℓ = 2? Cr. La sous-couche ℓ = 2 est associée aux orbitales 3d pour le chrome. Cet élément a une configuration électronique exceptionnelle qui fait qu’on retrouve un électron célibataire dans l’orbitale 4s et cinq électrons célibataires dans les orbitales 3d. f. Lequel de ces atomes a le plus d’électrons de cœur? Ra. Cet élément contient 88 électrons au total dont 86 électrons de cœur et 2 électrons de valence. g. Lequel ou lesquels de ces atomes sont des métaux de transition? Cr et Ni (et aussi Ni 2+). Les métaux de transition sont les métaux du bloc d. Question 7 Soit les éléments suivants : Ca, Rb, Se, N et Zn a. Donnez leurs ions les plus stables. Ca2+, Rb+, Se2-, N3-, Zn2+ b. Dessinez les configurations électroniques, par notation abrégée cases quantiques, de ces ions. Ca2+ : [Ar], Rb+ : [Kr], Se2- : [Ar] ⇅ 3s ⇅⇅⇅ , N3- : [He] ⇅ ⇅⇅⇅ , Zn2+ : [Ar] ⇅⇅⇅⇅⇅ 2s 3p 2p 3d Question 8 Parmi les éléments représentés dans le tableau ci-dessous, identifiez par son symbole celui qui correspond à chaque énoncé. Laissez des traces de votre démarche ou une courte explication. H Li He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Se Br Kr K Ca Rb Sr I Xe Cs Ba At Rn Fr Ra a) Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As J’ai 5 électrons de valence et 10 électrons de cœur. Phosphore (P). Cet élément a 15 électrons au total dont 5 sont des électrons de valence. b) Je suis l’élément le plus électronégatif de la 3e période. Chlore (Cl). Plus un élément a un noyau qui peut attirer des électrons, plus son électronégativité est forte. Les halogènes ont généralement une ÉN plus grande, puisqu’ils peuvent accueillir un électron supplémentaire dans leur dernière orbitale p et ont un noyau riche en protons. Les valeurs d’électronégativité sont inscrites sur votre tableau périodique. La tendance générale veut que l’électronégativité augmente de gauche à droite dans une période et diminue de haut en bas du tableau périodique tout en excluant les gaz rares. c) Je possède la plus petite énergie de première ionisation des éléments de ma période et les plus gros atomes des éléments de mon groupe. Francium (Fr). Dans une période, l’énergie de première ionisation est plus faible à gauche puisque le Zeff est plus faible à gauche. Ainsi, il est plus facile d’arracher un électron à un alcalin qu’à un gaz noble. Ensuite, plus l’atome a un grand nuage électronique, plus le rayon atomique est grand. Ici, c’est donc l’alcalin de la 7ème période qui correspond à cette définition. d) Je suis le métal de la troisième période qui possède les plus petits atomes. e) Aluminium (Al). La troisième période comprend seulement 3 métaux dont l’aluminium. Comme il s’agit de l’élément qui a le plus de protons dans son noyau, il attire plus son nuage électronique, ce qui diminue son rayon. Je suis l'élément qui, à l’état fondamental, a son dernier électron seul dans la sous-couche définie par n = 4 et ℓ = 1. f) Gallium (Ga). C’est le premier atome du bloc p de la 4ème période (n=4), puisqu’il y a un seul électron dans cette sous-couche. Je suis l’élément de la 2e période possédant la plus grande énergie de 4e ionisation. Bore (B). Le bore est l’élément de la 2e période ayant 3 électrons de valence. C’est lui qui a la plus grande énergie de 4e ionisation car c’est l’élément dont le 4e électron arraché est le premier électron de cœur pour cette période. Question 9 Parmi les composés ioniques suivants, lequel a une enthalpie de réseau la plus élevée. Expliquez votre choix. RbBr, MgO et NaCl MgO. L’enthalpie de réseau fait référence à la force de la liaison ionique. Plus la liaison est forte, plus l’enthalpie de réseau est élevée. Ici, on cherche donc le composé ionique dont la liaison est la plus forte. La force d’une liaison ionique dépend de la grosseur des ions et de la charge des ions. Des petits ions (ions formés avec les éléments dans le haut du tableau périodique) de grande charge (charge 2+ et 2- dans le cas du Mg et O) forme des liaisons ioniques plus fortes. Question 10 Soit la liste de substances (dessins ou formules chimiques) suivante : 1) Sirop d’érable (composé de sucre et d’eau) 2) NH4NO2 3) Jus d’orange avec beaucoup de pulpes 4) H2SO4 5) Ni 6) N2 7) 8) 9) 10) 11) 12) Pour chacune des questions, trouvez un dessin et une formule chimique qui représente le mieux possible ces types de matière : a) Un composé ionique : 2 et 9 b) Un élément atomique : 5 et 12 c) Un composé moléculaire : 4 et 10 d) Un mélange hétérogène : 3 et 7 Question 12 Déterminez parmi les trois structures de Lewis suivantes, laquelle est la meilleure pour représenter le HNO2. Justifier votre choix. A B C O N O O N O H O N O H H La meilleure structure de Lewis est la B. La A n’est pas une bonne structure puisque le N dépasse l’octet et la C n’est pas non plus une bonne structure puisqu’il y a 2 électrons en trop dans cette structure ce qui fait que les oxygènes devraient être chargés négativement. Le HNO2 est un oxacide donc l’hydrogène doit être lié à un oxygène ce qui n’est pas le cas pour les deux structures A et C. Question 13 Écrivez la structure Lewis la plus probable pour les composés et ions ci-dessous. Indiquer les charges formelles pour chaque atome lorsque le résultat est différent de 0. a) BCl3 b) XeBr4 c) HNO3 H Cl F Xe O O H F F N C Cl O + K O O – P O – + O K – + K e) SCN 2 structures de Lewis sont possibles pour cet ion polyatomique, mais la structure avec la charge formelle négative sur le N est majoritaire puisque le N est plus électronégatif que le S. S CF(K) = 1 – ( 0 + 0) = +1 CF(O) = 6 –( 6 + 1) = -1 – C – H f) NH2CCCOOH O H N C1 C2 C3 O H – N CF(N) = 5 – 4 – 2 = -1 S O CF(N) = 5 – (0 + 4) = +1 CF(O) = 6 – (6 + 1) = -1 (avec 3 doublets libres) Cl d) K3PO4 N C O H F B C + C N CF(S) = 6 – 6 – 1 = -1 Question 13 Donnez une structure de résonance ainsi que l’hybride de résonance pour une entité du numéro 12. Trois entités peuvent faire de la résonance : HNO3, SCN- et PO43- du K3PO4. Voici leurs structures ainsi que l’hybride de résonance. H H H O O + N – O – O + H δ– O O + N N O – O δ δ- O δ- 3 Question 14 i. Catherine, malheureusement, tu as tort! Il faut faire un témoin négatif pour chaque test. Le témoin négatif contient tous les réactifs, sauf la substance à analyser. Tu dois donc faire un témoin négatif pour chaque test. Le témoin négatif montre l’apparence que donne le test en l’absence de la substance à analyser. Pour faire un témoin négatif pour le test des nitrites, tu dois suivre les étapes 1.1 et 1.2 du texte de labo en remplaçant l’eau du puits par de l’eau distillée. Pour faire un témoin négatif pour le test des sulfites, tu dois suivre les étapes 2.1 et 2.2 du texte de labo en remplaçant l’eau du puits par de l’eau distillée. ii. Quand tu auras réalisé chaque test pour les nitrites, tu compareras l’apparence du test sur l’inconnu à l’apparence du témoin négatif des nitrites et du témoin positif des nitrites. Si l’apparence de ton test sur l’inconnu est semblable à celle du test du témoin positif, tu pourras conclure que l’eau du puits contient des nitrites. Si cette apparence est plutôt semblable à celle du témoin négatif, tu pourras conclure que l’eau du puits ne contient pas de nitrites. Tu devras utiliser le même raisonnement lorsque tu compareras l’apparence du test des sulfites sur l’inconnu avec ton témoin négatif des sulfites et ton témoin positif des sulfites.
