1 6 - PCSI Chimie
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1 6 Devoir Surveillé CHIMIE Mercredi 2 octobre 2013 Durée : 2 heures • • • • Les exercices sont indépendants et peuvent être traités dans un ordre quelconque ; et dans chaque exercice, beaucoup de questions sont totalement indépendantes. Répondre aux questions de façon brève mais claire. Reporter les numéros précis des questions. On rendra des copies bien présentées : toute copie mal rédigée est corrigée aux risques et périls de celui qui l'a remise. L’usage de la calculatrice est interdit Page 1/11 Tournez la page S.V.P. Exercice 1. 30 min Q.C.M : questions directes d’application du cours Répondez sur la feuille-­‐réponse que vous n’oublierez pas d’insérer dans votre copie. Réponse correcte : 3 points Pas de réponse : 0 point Réponse fausse : -­‐ 1 point 2, 0 × 10−7 ⋅ 2, 0 × 10−7 ⋅ −1 ⋅ −1 � 1, 3 × 10−7 Si la note finale est négative, la note attribuée sera 0 pour cet exercice. −1 −1 −7 −1 ⋅ −1 Question 1 ⋅ −1 ⋅ −1 ⋅ ⋅ 3 O2 (g) = 2 O3 (g) � 2, 0 × 10 � 1, 3 × 10 −7 � 3, 0 × 10−7 � 2, 0 × 10−7 � 4, 5 × 10 sur la feuille Remplissez les trois premières périodes de la classification périodique 3 O2 (g) = 2 O3 (g) � 3, 0 × 10−7 annexe. � r = kPNO PH2 � 4, 5 × 10−7 2 NO(g) + 2 H2 (g) = N2 (g) + 2 H2 O(g) Question 2 � r = kPNO PH2 2 NO(g) + 2 H2 (g) = N2 (g) + 2 H2 O(g) PNO −7 � r = kPNO −1 ? 2 Quel est le PsNO ymbole chimique du rmercure PH2 2 � r = kPNO ×10−4 2 −1 PH2 r −4 2 ×10 −4 ×10 ×10−4 ×10−4 � r = kPNO PH2 2 � r = kPNO PH2 2 2 � r = kPNO PH2 2 −4 Question 3 ×10 2 2 � r = kPNO PH2 2 Quelle combinaison des nombres quantiques n’est pas permise ?� 2 n n l ml l ml � ms ms � − 3+ 3+ + � 2 2 � 2 2 � 2+ � � − 2 � 2 � 2 � 2 Page 2/ 11 � � 2 + + + − 2+ 2+ 2+ − − 2+ 2+ + + − � � � � � � + + − 2+ ↵A = B � � 2+ − − 2+ 2+ + + − ⋅ −1 ⋅ −1 l ml 2+ � � ms � 2 × 106 Quel est le nombre d’électrons de valence de l’atome de nickel ? Le numéro atomique du nickel Ni est 28 − + 2+ Voir la place du nickel dans la classification jointe. Question 5 3 2 3 2 2 2 4 3 2 2 Combien y –a-­‐t-­‐il d’électrons non appariés 3+ dans Co3+ 3 2? 2 2 Le numéro atomique du cobalt Co est 27 + � − � � � � � � � � � � � � � Question 6 2+ � � � � 2 � Si l’on classe les atomes N, O et F par 2 � n, l,est ml le 2 électronégativité croissante, quel � � bon ordre ? 2 � Voir les places des éléments cités dans la � Les numéros atomiques sont les suivants : O : 8 F : 9 Cl : 17 � � 2 � 2 2 � 2 � � 2 � 2 Page 3/11 + 2+ 2+ − + − − 2+ 2+ + + − � � � classification jointe. − � � Voir les places des éléments cités dans la 2 classification jointe. Question 7 + � � � Parmi les propositions suivantes, quels 2 � sont les éléments chimiques qualifiés 2 � d’éléments de transition ? 2 + � � � 2 2 � 2 � 2+ � � Voir la place du cobalt dans la classification � ○ 2 jointe. E − 2+ − 2+ - Chimie PCSI� 2013-2014 – Question 4 + � 2 2 � � ↵A = B ⋅ −1 ⋅ −1 Tournez la page S.V.P. ⋅ −1 ⋅ � � Question 8 Le spectre d’émission de l’atome � d’hydrogène dans la région du visible � consiste en : E ⋅ � � −1 − 3 Question 9 2 2 � 2 � 2 � �� � Parmi les structures de Lewis suivantes, quelle est celle qui correspond à l’ion �� 2 azoture, N3-­‐, qui est contenu dans tous les � airbags ? − 2 �� 2 − �� 2 Rem : l’élément azote N a pour numéro 2 �� atomique Z = 7. � 5 Les numéros atomiques sont les suivants : H : 1 C : 6 N : 7 O : 8 S : 16 3 3 5 N N N N N N N N N N � � 2− 3 − 3 2 S 2 � 2 2 2 � 2 � 2 � 2 2 � � 2 2 � 2 � 2 � � Page 4/ 11 O A 3 � 2 S 13 � N �� Voir les places des éléments cités dans la classification jointe. N 3 2 parmi les espèces suivantes, laquelle ne �� − 3 possède pas le même nombre d’électrons 3 � � 3 -­‐ de valence que l’ion nitrate NO3 ? 3 � Question 10 − 3 � − 2 − 2 2− 3 S O O - Chimie PCSI 2013-2014 – Problème 1. 60 min L’indium La surface en verre de l’écran tactile des iPhone, iPad, ou autres tablettes et smartphones, est recouverte d’un matériau (transparent et de faible épaisseur) qui est conducteur, généralement de l’ITO ( Indium Tin Oxide, oxyde d’étain et indium). Cette couche est reliée à des électrodes déposées sur les bords de l’écran. Ainsi, on crée un champ électrique uniforme à la surface de l’écran, autrement dit cette surface est uniformément chargée. L’approche d’un doigt perturbe le champ électrique : une certaine quantité de charges est transférée vers le doigt. Cette perturbation est là encore relevée par l’électronique de contrôle. Aujourd’hui, l’indium est donc un élément chimique essentiel dans le développement de ces nouvelles technologies. Partons à la découverte de cet élément. Nous ne découvrirons pas cet élément comme l’aventurier Christophe Colomb pensait avoir découvert les Indes… l’Indium ne doit son nom ni à l’Inde, ni même à un autre aventurier, Indiana Jones, ni à l’Indiana, mais à couleur bleue d’une raie intense de son spectre d’émission. L’indium a été découvert en 1863 par Ferdinand Reich et Hieyronimous Richter, à Freiberg, en Allemagne. Enfin, pour information, le 17 juin 2010, la Commission européenne a publié un rapport identifiant quatorze matières premières critiques pour l’Union européenne. Ce rapport a été rédigé par un groupe de travail ad hoc : « Critical raw materials for the EU », qui avait examiné 41 minéraux et métaux. L’indium fait partie de cette liste. (voir rapport de l’Assemblée Nationale du 26 octobre 2011) Page 5/11 Tournez la page S.V.P. *** Le numéro atomique de l’indium est Z = 49. 1) Ecrire la configuration électronique fondamentale de l’indium. Enoncer les règles ou principes qui vous permettent d’écrire cette configuration. 2) Positionner l’indium dans la classification périodique de l’annexe. 3) Combien possède-­‐t-­‐il d’électrons de valence ? 4) Quelle est la propriété magnétique de l’atome d’indium ? 5) Préciser les nombres quantiques de l’électron (ou des électrons) qui n’est pas (ou ne sont pas) apparié(s) (« électrons célibataires ») dans l’atome d’indium. L’indium était découvert lorsque Mendeléev a proposé sa première classification périodique. 6) A quelle date Mendeléev a-­‐t-­‐il publié sa première classification périodique ? Grâce à son tableau, Mendeléev put corriger des masses atomiques de plusieurs éléments et notamment celle de l’indium. En effet, on avait établi que sa masse atomique était de 76 g.mol-­‐1 en se basant sur la formule InO pour son oxyde. Mais cela classait alors, à cause de cette masse atomique, l’indium parmi les non-­‐métaux. Mendeléev suggéra donc que cette masse atomique était fausse car l’indium est un métal. 7) « L’indium est un métal » dit Mendeléev. Rappeler quatre caractéristiques communes à tous les métaux. L’ion oxyde désigne l’ion commun de l’oxygène. 8) Sachant que le numéro atomique de l’oxygène est Z = 8, écrire la configuration électronique fondamentale de l’atome d’oxygène. 9) En déduire la formule chimique de l’ion oxyde. De quel gaz rare cet ion oxyde est–il isoélectronique ? 10) Dites pourquoi l’ion commun de l’indium est l’ion In3+. 11) En utilisant vos réponses aux deux questions précédentes, comme Mendeléev, vous pouvez vous aussi déduire la formule chimique de l’oxyde d’indium. Quelle est cette formule ? Page 6/ 11 - Chimie PCSI 2013-2014 – Aujourd’hui, dans les tables de l’IUPAC, on peut lire : « masse molaire de l’indium : M(In) = 114,82 g.mol-­‐1 ». L’indium possède deux isotopes stables : l’un de masse molaire égale à 112,90 g.mol-­‐1 et l’autre de masse molaire égale à 114,90 g.mol-­‐1. 12) Ecrire le symbole complet de chacun de ces deux isotopes (en précisant donc le numéro atomique et le nombre de masse A). 13) Lequel des deux isotopes est le plus abondant ? Détailler la composition de son noyau atomique. Contrairement au germanium, au polonium, ou encore à l’américium, l’indium ne doit pas son nom à un pays, mais il le doit à la couleur bleue indigo d’une des raies intenses de son spectre d’émission. 14) Rappeler, en vous aidant d’un petit schéma par exemple, le principe de l’émission atomique. Parmi les principales raies du spectre atomique de l’indium, on relève les longueurs d’onde suivantes : λ / nm 303,94 325,61 325,86 410,18 451,13 15) Parmi ces raies, indiquer quelle est la raie à l’origine du nom de l’indium. A quel(s) domaine(s) du spectre électromagnétique appartiennent les autres raies ? 16) Poser le calcul pour exprimer l’énergie que transporte un photon associé à la radiation précédente. Cette énergie est attendue en eV. On ne demande pas de faire le calcul. 17) A propos des spectres d’émission, revenons à celui de l’atome d’hydrogène : il est constitué de raies et non d’un continuum lumineux. Pourquoi ? L’énergie E(n) des niveaux électroniques dans l’atome d’hydrogène est donnée par la relation E(n) = -­‐ E°/n2 avec E° = 13,6 eV 18) Que représente le nombre n et quelles valeurs peut-­‐il prendre ? 19) A quel état de l’atome correspond le niveau n=1 ? Le niveau n→∞ ? Page 7/11 Tournez la page S.V.P. On peut lire cet article suivant qui aborde la pénurie à très court terme d’indium : Le principe du tactile est de pouvoir conduire l’électricité tout en restant transparent. Pour le moment, on ne sait réaliser cette prouesse technologique qu’avec une molécule mélange de deux oxydes métalliques appelé oxyde d’indium-étain qui l’on nomme ITO. Ce composant à base d’indium, une terre rare sous-produit de l’industrie minière du plomb et du zinc n’existerait en réserves mondiales qu’à concurence de 16 000 tonnes (source USGS). Au rythme de notre consommation actuelle, et cela devrait aller en s’aggravant, nous devrions êtres à court de cette précieuse molécule dans 9 ans. 20) L’indium y est présenté comme une terre rare : est-­‐ce vrai ? Situez les terres rares dans la classification distribuée. L’indium est un sous-­‐produit de l’industrie minière du plomb et du zinc. 21) Sachant que le plomb appartient à la 6ème période de la classification, et qu’il est dans la colonne du carbone (Z=6), préciser quelle est la configuration électronique externe de l’atome de plomb. L’indium solide peut réagir avec le dichlore gazeux et donner le trichlorure d’indium InCl3 solide. Le numéro atomique du chlore est Z = 17. 22) Ecrire une équation-­‐bilan équilibrée pour la transformation chimique décrite. 23) Proposer un schéma de Lewis de la molécule de trichlorure d’indium. Comment la qualifie-­‐t-­‐on ? Justifier votre réponse. Page 8/ 11 - Chimie PCSI 2013-2014 – Exercice 2. 40 min La découverte de l’argon, fruit de la persévérence… L’argon est un gaz noble, son symbole est Ar et son numéro atomique est Z = 18. 1) Ecrire la configuration électronique fondamentale de l’argon. La découverte de l’argon est due à Rayleigh, qui cherchait en fait à mesurer de façon très précise la masse d’un litre de différents gaz. Pour étudier le diazote, il commença par débarrasser l’air de son dioxygène O2 et de son dioxyde de carbone CO2. 2) Proposer un schéma de Lewis pour la molécule de dioxygène et pour celle de dioxyde de carbone. Numéro atomique de C : 6 ; de O : 8 Expérimentateur extrèmement conscencieux, Rayleigh obtient aussi le diazote à partir de l’ammoniac NH3, comme le lui avait suggéré son ami chimiste Ramsay. 3) Proposer un schéma de Lewis pour la molécule d’ammoniac. Numéro atomique de H : 1 ; de N : 7 A son grand étonnement, les masses d’un litre de « diazote de l’air » et de « diazote des réactions » étaient différentes. Qu’à cela ne tienne, il réitéra ses expériences, des mois durant, et utilisa d’autres espèces azotées…mais pour toujours aboutir aux mêmes conclusions. Page 9/11 Tournez la page S.V.P. Rayleigh utilisa de l’acide nitreux HNO2, de l’acide nitrique HNO3 ou encore du nitrite d’ammonium, NH4+,NO2-­‐ pour préparer différemment du diazote. 4) Proposer un schéma de Lewis pour l’acide nitreux et pour l’acide nitrique, sachant que dans chaque molécule, N est l’atome central, et l’atome d’hydrogène est lié à un atome d’oxygène. On rappelle qu’un schéma de Lewis complet doit faire apparaître tous les doublets et les éventuelles charges formelles. Numéro atomique de H : 1 ; de N : 7 ; de O : 8 5) Proposer un schéma de Lewis pour l’ion ammonium NH4+. Numéro atomique de H : 1 ; de N : 7 Enfin, le 13 août 1894, après des mois de collaboration, Ramsay et Rayleigh annonce la découverte de ce nouvel élément, caché dans l’air, l’argon… Suivront les découvertes des autres gaz nobles, jusqu’au xénon en 1898 (xénon provenant de « xénos », étranger). 6) Sachant que le xénon appartient à la cinquième période, indiquer sa configuration électronique fondamentale. L’appellation « gaz inertes » n’est plus utilisée aujourd’hui, car elle n’est plus correcte pour ces gaz nobles car des composés du xénon ont été préparés dans les années 1960. Citons XeF2, XeF4, XeF6 ou XeO3. 7) Proposer un schéma de Lewis pour XeF4. Numéro atomique de F: 9 8) Comment justifier que l’atome de xénon puisse être entouré de plus de 8 électrons ? Les gaz nobles pacifistes représentent une zone démilitarisée entourée de voisins instables ». On peut lire dans le livre « Guerre et paix chez les atomes » que « 9) A quelle famille appartient l’élément chimique qui précède l’argon dans la classification périodique ? Remplir la colonne total des éléments de cette famille dans la classification distribuée. 10) A quelle famille appartient l’élément chimique qui suit l’argon dans la classification périodique. Page 10/ 11 - Chimie PCSI 2013-2014 – _____________________________________________________________________________________________________ Données pour le problème 1 : Constante de Planck : h = 6,63.10-34 J.s Célérité de la lumière : 3,00.108 m.s-1 Constante d'Avogadro : N = 6,022.1023 mol-1 1 eV correspond à 1,6.10-19 J _____________________________________________________________________________________________________ FIN DE L’ENONCE _____________________________________________________________________________________________________ Page 11/11 Tournez la page S.V.P.
