Licence 1-UE CHI 110 : Structure de la matière Travaux Dirigés

UE CH110- TD de Chimie : Structure de la matière
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UNIVERSITE JOSEPH FOURIER-DLST
Licence 1-UE CHI 110 : Structure de la matière
Travaux Dirigés

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Données Générales :
Unités du système international (SI) :
grandeur
masse
longueur
temps
énergie
charge
électrique
quantité
de
unité
kilogramme
mètre
seconde
joule
coulomb
mole
symbole
kg
m
s
J
C
mol
Constantes fondamentales :
Constante d’Avogadro NA =6,02 1023 mol-1
Vitesse de la lumière c = 3 108 m s-1
Masse de l'électron: me = 9,1094 10-31 kg.
Masse du proton : mp = 1.67262 10-27 kg.
Masse du neutron : mn = 1.67493 10-27 kg.
Charge élémentaire e =1,6 10-19 C
Constante de Planck h = 6,62 10-34 J .s
Permittivité du vide ε0 = 8,85 10-12 J-1 C2 m-1
Rayon de Bohr a0 = (ε0 h2)/(π me e2) = 0.53 10-10 m
Constante de Rydberg R= (me e4)/(8 h3c ε02) = 1.097 107 m-1
Autres unités usuels :
1 µm = 10-6 m 1 eV = 1,6 10-19J Debye (D) = 3.34 10-30 C m
1 Å = 10-10 m 1 nm = 10-9 m E(eV.) = 1240 / λ (nm)
Représentation symbolique d’un élément :
X: symbole de l'élément
X
A
Z
A: nombre de masse
Z: nombre de protons (numéro atomique)

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PARTIE 1 : STRUCTURE DE L’ATOME
A- Composition de l’atome.
1- Constitution de l’atome :
1-Indiquer le nombre de protons, neutrons, nucléons et électrons dans :
+−+352
24
81
35
224
12
238
92
40
20
19
9Cr ,Br ,Mg ,U ,Ca ,F
2- Compléter le tableau suivant :
Nom Symbole A Z Nombre
d’électrons
Nombre de
neutrons
Atome
d’hydrogène
H 1 1 ? ?
Ion hydrure H- ? ? ? 0
? H+ 1 1 ? ?
Ion calcium Ca2+ ? ? 18 20
Atome de Zinc Zn ? 30 ? 36
? ? ? 20 20 22
? Zn2+ 64 ? ? ?
Ion iodure I- 127 53 ? ?
2- Isotopie :
1- Le magnésium à l’état naturel contient 3 isotopes : 24Mg, 25Mg et 26Mg dont les masses
atomiques molaires (g.mol-1) sont respectivement 23,985 ; 24,986 ; 25,982 et les pourcentages
78,99 ; 10,00 et 11,01. Calculer la masse atomique molaire moyenne du magnésium naturel.
2- Les deux isotopes du chlore ont pour nombre de masse 35 et 37. Leurs noyaux contiennent
respectivement 18 et 20 neutrons et leurs masses atomiques molaires sont : 35Cl=34.979 g.mol-
1, 37Cl=36.998 g.mol-1. Calculer le numéro atomique du chlore à l’aide du nombre de masse et
du nombre de neutrons de l’un de ses isotopes. Préciser la structure nucléaire des deux
isotopes (nombres de protons et neutrons). Calculer la composition isotopique du chlore naturel
de masse atomique molaire moyenne 35,45 g.mol-1.

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3- Défaut de masse : La masse d’un noyau est inférieure à la somme des masses de ses
nucléons pris individuellement. On définit le défaut de masse d’un noyau comme la différence
entre ces deux valeurs massiques.
1-Le défaut de masse du noyau de deutérium (D ou 2H) est 3,9655.10-30 kg tandis que celui du
noyau de tritium (T ou 3H) est 1,5122.10-29 kg. Déterminer la masse des noyaux de D et T.
2- Les masses molaires de l’eau lourde (D2O ou 2H2O) et de l’eau super lourde (T2O ou 3H2O)
sont plus élevées que celle de l’eau (H2O) de respectivement 2,012445 g.mol-1 et 4,016229
g.mol-1. En déduire la valeur du nombre d’Avogadro.
4- Quantité de matière : Calculer la quantité de matière et le nombre d’atomes contenus dans
1mg de C, 1mg de Pb et 1mg de soude (NaOH) (MC =12.01 g.mol-1, MPb =207,2 g.mol-1, MNa=
23.0 g.mol-1, MO=16.0 g.mol-1, MH=1.0 g.mol-1).
5- Composition centésimale : La caféine contenue dans le café ou le thé a la composition
massique suivante : C : 49,5% H : 5,2% N : 28,8 % O : 16,5 %. Sa masse molaire vaut 194,2
g.mol-1. Quelle est sa formule moléculaire brute ?
B- Interaction Lumière/matière.
1- Ordre de grandeur : On a reporté sur une échelle logarithmique les longueurs d'onde des
radiations électromagnétiques, depuis les rayons X et γ jusqu'aux ondes radio.
-14
-13
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Ondes radio
micro-
ondes
log λ
( avec λ en m)
Infra-rouge
Ultra-
violet
Rayons X
visible
Rayons γ
On demande de calculer pour les radiations suivantes : onde radio (de longueur d’onde 1829
m); micro-onde (10-2 m); radiation visible (8 10-7 m); rayonnement X (10-10 m) et rayonnement
γ (10-14 m)
- la longueur d'onde (en cm, µm et nm),
- la fréquence,
- l'énergie d'un photon (en J et eV),
- l'énergie d'une mole de photons en kJ mol-1.

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2- Effet photoélectrique : L'effet photoélectrique est l'émission d'électrons par un matériau,
généralement métallique lorsque celui-ci est exposé à la lumière ou à un rayonnement
électromagnétique de fréquence suffisamment élevée, qui dépend du matériau.
1-Soit une lumière de longueur d’onde λ qui frappe une surface de césium métallique. Pour ce
métal, le « travail d’extraction » d’un électron est de W = 2,14 eV. On envisage deux valeurs
distinctes de λ : λ1 = 700 nm et λ 2 = 300 nm.
1.a- Indiquer, en justifiant, pour lequel des deux rayonnements l’énergie transportée est
la plus grande, E1 ou E2.
1.b- Montrer qu’il existe une condition sur λ pour qu’il y ait émission d’électrons ; il
suffira d’exprimer cette condition de manière qualitative.
1.c- Calculer, pour le(s) cas où l’émission est possible, l’énergie cinétique (en eV) et la
vitesse (en km.s-1) des électrons émis.
2-Lorsqu’une lumière de longueur d’onde 171,5 nm frappe une surface de sodium métallique,
des électrons d’énergie cinétique maximale 2,1 eV sont émis.
2.a- Quelle est l’énergie de liaison d’un électron dans le sodium métallique ?
2.b- Quelle est la longueur d’onde maximale de la lumière qui fera émettre des
électrons au sodium
3- Rayonnement/étoiles : Les étoiles sont des
boules de plasma en fusion, les fortes
températures qui y règnent leur font émettre des
radiations, en particulier de la lumière visible. Les
astronomes classent les étoiles en plusieurs types
(O/B/A/F/G/K/M) en fonction de la lumière qu’elles
émettent. Voici des spectres d’émission typiques
d’étoiles de ces 7 types. Chaque type est
caractérisé par un profil particulier de spectre, et
en particulier par la longueur d’onde
correspondant au maximum d’émission. On peut
démontrer que ce maximum est lié à la
température de surface de l’étoile via la relation :
( )
men 2898T
mm
µλ=×λ
1- Classez ces 7 types d’étoiles par ordre croissant de leur température de surface.