Travaux dirigés 6 Structure électronique de l`atome et classification

Lycée Dumont d'Urville PTSI
Sciences Physiques
Travaux dirigés 6
Structure électronique de l’atome et classification périodique
Exercice 1 : Les nombres quantiques
1) Un triplet de trois nombres quantiques (n, l, ml) caractérise toute orbitale atomique.
a. Quels noms donne-t-on à ces trois nombres ?
b. Préciser les valeurs possibles de n et les relations entre ces nombres.
2) Indiquer parmi les triplets suivants ceux qui sont impossibles :
(n=3, l=2, ml=0) ; (n=2, l=2, ml=-1) ; (n=3, l=0, ml=3) ; (n=3, l=-2, ml=0)
3) Désigner les orbitales atomiques correspondant aux électrons caractérisés par les ensembles
de nombres quantiques suivants :
a) (n=3, l=2, ml=1)
b) (n=2, l=1, ml=0)
c) (n=1, l=0, ml=0)
d) (n=3, l=2, ml=-2)
e) (n=3, l=1, ml=-1)
Exercice 2 : Configuration électronique
Déterminer la configuration électronique des atomes ou ions suivants dans leur état fondamental :
F (Z=9), O (Z=8), Al3+ (Z=13) Cl- (Z=17), K (Z=19), Fe (Z=26)
Exercice 3 : Représentation de Lewis
L’atome d’un élément X a pour représentation de Lewis dans l’état fondamental !
1) Combien d’électrons de valence possède-t-il ?
2) Sachant que leur nombre quantique principal est 2, déterminer le numéro atomique de X et
établir la configuration électronique complète de son atome.
3) Identifier X par son nom et son symbole.
Exercice 4 : Noble cœur
1) Etablir la configuration électronique de l’atome de calcium (Z=20) dans l’état fondamental.
2) Représenter cette configuration à l’aide du cœur correspondant à un gaz noble.
Exercice 5 : Représentation de Lewis : le retour
Déterminer la configuration électronique des atomes et ions suivants dans leur état fondamental et
en déduire la représentation de Lewis correspondante.
S2- (Z=16) ; Ca (Z=20) ; Be (Z=4) ; Na+ (Z=11)
Exercice 6 : Spectre de l’atome d’hydrogène
1) Rappeler la loi de Rydberg-Ritz
2) Etablir à partir de la relation précédente l’expression de l’énergie d’un niveau En.
3) Calculer en eV et en J l’énergie minimale nécessaire pour ioniser un atome d’hydrogène.
4) Déterminer les longueurs d’onde des première et dernière raies des séries de Lyman (n=1),
Balmer (n=2), Paschen (n=3), Brackett (n=4) et Pfund (n=5) de l’atome d’hydrogène.
Préciser à quel domaine des ondes électromagnétiques ces radiations appartiennent.
Exercice 7 : Ion hydrogénoïde
On appelle ion hydrogénoïde un ion constitué d’un noyau de numéro atomique Z et d’un seul
électron.
1) Les ions Be+ (Z=4) et Li2+ (Z=3) sont-ils des ions hydrogénoïdes ? Quel est l’ion
hydrogénoïde correspondant à l’élément carbone (Z=6) ?
2) Rappeler la définition de l’énergie d’ionisation de l’atome d’hydrogène. Quelle est sa
valeur ?
3) Les énergies d’ionisation de He+ (Z=2) et Li2+ (Z=3) valent respectivement 54,4 eV et 122,4
eV. Peut-on trouver une relation simple entre leur nombre de charge, leur énergie
d’ionisation et celle de l’atome d’hydrogène ?
!
4) Les valeurs de l’énergie propre de ces systèmes satisfont à la relation!! = − !!! où n est un
entier positif.
a) Calculer la valeur de l’énergie propre des 4 premiers niveaux d’énergie des ions He+ et
Li2+ ainsi que celle de l’atome d’hydrogène. Les comparer.
b) Pourquoi peut-on dire que l’électron unique d’un système hydrogénoïde devient de plus
en plus lié lorsque Z augmente ?
Exercice 8 : Spectre de l’hélium ionisé
L’hélium a pour numéro atomique Z=2.
1) Combien d’électrons possède l’ion He+ ?
2) Le spectre d’émission de cet ion est un spectre discontinu constitué de séries de raies. Les
niveaux d’énergie de cet ion dépendent du nombre quantique principal n par la relation
!
!! = − !! . Une série de raies est constituée par l’ensemble des radiations correspondant aux
désexcitations vers un niveau donné. La série de Pickering correspond aux transitions vers
le niveau n=4.
a. Déterminer les longueurs d’onde dans le vide des radiations correspondantes
appartenant au domaine du visible.
b. Quelle est la plus petite longueur d’onde de cette série ? A quel domaine appartientelle ?
Données : E=54,4 eV, h=6,626 10-34 Js ; c= 3,00 108 m/s ; 1,00 eV= 1,60 10-19 J
Exercice 9 : Classification périodique
1) Etablir la configuration électronique dans leur état fondamental des atomes correspondant
aux éléments suivants : potassium K (Z= 19) ; iode I (Z=53) ; hafnium (Z=72)
2) En déduire leur place dans la classification. Nommer la famille à laquelle ils appartiennent
lorsque vous la connaissez et citer quelques propriétés chimiques des corps simples
correspondants.
3) Quelle est la configuration électronique des atomes de l’élément situé à :
a. La quatrième période et à la quinzième colonne
b. La cinquième période et à la septième colonne.
Exercice 10 : Energie de première ionisation
Le calcium est le troisième élément de la seconde colonne.
1) Quelle est la configuration électronique de ses atomes dans l’état fondamental ? En déduire
son numéro atomique.
2) Le tableau ci-dessous donne les énergies de première ionisation des atomes des éléments de
la période du calcium par ordre croissant de leur numéro atomique en omettant les éléments
du groupe d.
élément
Ei (eV)
K
4,34
Ca
6,11
Ga
6,00
Ge
7,9
As
9,81
Se
9,75
Br
11,81
Kr
14,00
a) Comment varie globalement l’énergie de première ionisation en fonction de Z ? Que peuton en déduire ?
b) Expliquer les deux singularités présentées par le calcium et l’arsenic.
Exercice 11 : Electronégativité de Mulliken
1) Rappeler la définition de l’électronégativité de Mulliken.
2) On donne les énergies de premier attachement électronique et les énergies de première
ionisation des atomes des éléments alcalins.
Elément Li Eatt1 (kJmol-­‐1) -­‐60 Ei1 (eV) 5,4 Na -­‐53 5,14 K -­‐49 4,34 Rb -­‐47 4,18 Cs -­‐46 3,89 a) Où sont situés les éléments alcalins dans la classification périodique ?
b) Déterminer l’électronégativité de Mulliken des différents alcalins.
c) Comment ces électronégativités varient-elles ? Cette évolution était-elle prévisible ?
Données : !! = 6,02 10!" !"# !! ; 1,00 eV= 1,60 10-19 J
Exercice 12 : Le tungstène (d’après Banque PT 2008)
Le tableau suivant fournit les abondances isotopiques relatives de l’élément tungstène.
Isotope
180
W
182
W
183
W
184
W
185
W
Atomes (%)
0,13
26,3
14,3
30,67
28,6
1) Déterminer à une décimale près la masse molaire du tungstène
2) Le numéro atomique du tungstène est Z=74. Donner la configuration électronique attendue de
l’atome à l’état fondamental. On indiquera les règles classiques suivies pour effectuer cette
détermination.
3) En déduire la position de cet élément dans la classification périodique en justifiant (numéro de
ligne et numéro de colonne).