Td1 - physique

Chimie TD1 TSI2_2015_2016
Exercice 1 : Calcul de la masse molaire d’un élément
A l’aide du tableau ci-contre, déterminer, pour l’atome
d’oxygène :
- Le nombre de protons
- Le nombre de nucléons, le nombre de neutrons
pour chaque isotope
- La masse molaire avec 4 chiffres significatifs
L’oxygène, repéré par la lettre O possède :
- 8 protons
- Son nombre de nucléons dépend de l’isotope
considéré. Il existe trois isotopes dont le nombre
de nucléons est donné par 16, 17 et 18 ce qui
correspond respectivement à 8, 9 et 10 neutrons.
- La masse molaire est donnée en tenant compte de
l’abondance relative à chaque élément. En utilisant
l’unité de masse atomique, on peut faire
directement la conversion en  donc avoir la
masse molaire :
Exercice 2 : Electron et nombre quantique :
1) Quel est le nombre d’orbitales sur une couche
quantique principal  ?  ?
Une orbitale est déterminée par le jeu des trois nombre
quantique  ℓ
ℓ
. Pour :
- , on a  ; soient 4 orbitales
- , on a  et 5 orbitales , soient 9
orbitales
2) Quel est le nombre maximum d’électrons sur
une couche quantique principal  ?  ?
D’après la règle d’exclusion de Pauli, on ne peut mettre
que deux électrons de spin opposés dans une même
orbitale. On a donc 8 et 18 électrons au maximum dans
les couches 
et 
3) A la lumière des résultats précédents, quel
est le nombre d’électrons d’une couche de
rang ?
On admettra que l’on a  électrons par couche.
Exercice 3 : Configuration électronique de quelques
atomes
1) Le fluor :
a) Quelle est la configuration électronique du
fluor ( ?
En suivant les trois règles de remplissage :
b) Représenter cette configuration électronique
à l’aide des cases quantiques
c) Donner les nombres quantiques
caractéristiques de chaque électron
  le spin total devant être maximal (règle de
Hund)
2) L’azote
L’azote se situe à la 2
ème
ligne et 5
ème
colonne du tableau
périodique.
a) Que vaut son numéro atomique ?
b) Quelle est sa configuration électronique ?
Le numéro atomique de l’azote est Z = 7 et sa
configuration électronique 
3) L’oxygène
L'oxygène se trouve dans la 2ème ligne et la 6ème
colonne du tableau périodique.
a) Donner sa structure de Lewis.
b) Quel ion est formé préférentiellement et qui suit
ainsi la règle de l’octet ?

Chimie TD1 TSI2_2015_2016
La configuration électronique de l’oxygène est
. Afin de vérifier la règle de l’octet, l’ion le
plus probable est 
4) Le cuivre
On donne pour le cuivre Cu : Z=29
a) Donner sa configuration électronique. Où se
situe-t-il dans le tableau périodique ?
b) Les ions  et  , provenant d’un même
isotope du cuivre, se différencient-ils par le :
i. numéro atomique,
ii. nombre de masse,
iii. nombre de protons,
iv. nombre de neutrons,
v. nombre d’électrons ?
Le cuivre est un métal de transition, en utilisant la
configuration du gaz rare le plus proche :  qui
devient, pour raison de stabilité  . Proposant
ainsi la formation d’ions, ne différents que par leur
nombre d’électrons.
Exercice 4 : Application de la règle de Klechkowsky :
Préciser les configurations électroniques dans l’état
fondamental des atomes et des ions suivants : (On
allègera l’écriture de la configuration en faisant
intervenir le gaz rare le plus proche.)
1) Silicium ( )
2) Fer (
3) Antimoine ( )
4) Carbone (
5) Sodium (
6) Chlore (
Exercice 5: Energie d’ionisation
1) Proposer une justification simple à l’évolution
observée des valeurs d’énergie d’ionisation au sein
de la famille des halogènes :
F
Cl
Br
I
Energie de 1
e
ionisation(eV) 17,4 13,0 11,8 10,5
Les halogènes présentés ici sont donnés de haut en bas
dans le tableau périodique. Ainsi, le nombre de couche
augmente et la distance avec le noyau avec. Les
électrons de valence de l’iode sont donc moins retenus
ce qui explique l’énergie d’ionisation plus faible.
2) L’énergie de deuxième ionisation d’un atome
(transformation  ) est plus
importante que l’énergie de première ionisation,
expliquez. Attribuer à chaque élément le couple (en
eV) des énergies de première et de deuxième
ionisation qui lui correspond :
Élément :     . Couples de
valeurs :(
L’ion 
 présente une attraction électrique plus
forte (plus de protons que de neutrons), l’énergie de
deuxième ionisation est donc logiquement plus forte.
Le lithium et le sodium sont des alcalins, ils ont don une
énergie de 1
e
ionisation faible. Le sodium faisant
intervenir une couche de valence plus éloignée, on a
donc :
Le calcium est un alcalinoterreux, c’est en revanche
l’énergie de deuxième ionisation qui est relativement
faible : 
Le néon est un gaz rare, donc son énergie de 1
e
est
importante 
Le fluor est un halogène électronégatif fortement est
sur la même période que le Bohr (moins électronégatif),
donc son énergie d’ionisation :  
Exercice 6 : Rayon atomique :
Dans chacune des paires suivantes, quel serait l’atome
ou l’ion le plus volumineux ?
-   (Ba utilisant plus de couche
sur une même colonne)
-   (Sur une même période
l’attraction électrique augmente)
-  ( c’est 6 protons et 8
électrons,  c’est 7 protons et 8 électrons.
La répulsion sera donc plus importante dans
)
-  (On descend dans le
tableau périodique)
-   (11 protons pour 10 électrons pour
l’ion sodium, donc 
Exercice 7 : Représentation de Lewis
1)
a) Donner la configuration électronique de
l’aluminium.

Chimie TD1 TSI2_2015_2016
b) En déduire alors la formule de Lewis de la
molécule  (trichlorure d’aluminium).
c) Donner la représentation de Lewis de l’ion
(tétrachlorure d’aluminium)
Donc : . L’arrivée des trois chlore va permettre au
électrons d’occuper 2 orbitales p et de former le
trichlorure d’aluminium. Pour l’anion, l’aluminium se
retrouve avec 4 électrons soit une charge formelle
négative portée par ce dernier.
2) Donner la représentation de Lewis des molécules
suivantes :
- 
- 
- 
Exercice 8 : Ions :
1) L’argent naturel existe sous deux formes
isotopiques :  (51,83%) et  (48,17%).
a) Donner la structure du noyau de ces deux
isotopes.
b) Calculer la masse molaire de l’argent.
c) Justifier la configuration électronique de
l’argent  .
d) L’argent donne naissance à un ion  , quelle
est sa structure ?
On a donc 107 nucléons pour l’un (avec 47 protons et 60
neutrons) et 109 nucléons pour l’autre isotope (avec 47
protons et 62 neutrons).
La masse molaire est alors donnée par 108,0 g/mol. La
configuration  de l’argent s’explique par
la stabilité donnée par le remplissage de la couche .
Ainsi, l’ion  apparaîtra facilement.
2)
a) Donner les structures électroniques du
calcium , de  , de  et de  .
b) Quel est, selon vous, l’ion le plus stable ?
apparaît comme l’ion le plus probable en prenant la
configuration du gaz rare le plus proche
3) Donner les charges formelles portées par chaque
atome des molécules suivantes :
Exercice 9 : Cristallographie du cuivre
Le Cuivre métal est décrit en cristallographie par un
réseau cubique à faces centrées avec un paramètre de
maille a = 361 pm.
1) Représenter une maille cubique conventionnelle
du cuivre en utilisant un modèle éclaté (les
atomes de métal seront représentés par de gros
points).
2) Donner la relation entre le paramètre de maille a
et le rayon métallique R puis calculer R.
On a des atomes jointifs sur la diagonale, ainsi :
Exercice 10 : Cristal ionique
Le chlorure de sodium cristallise dans un système
cubique. Un modèle simple de cristal ionique assimile les
ions à des sphères rigides. Le mode de cristallisation
de ce sel est deux réseaux cubique faces centrées
décalés d’un demi paramètre de maille (ou des ions
chlorure (Cl-) sont placés en « cubique à faces

Chimie TD1 TSI2_2015_2016
centrées » et les ions sodium (Na+) occupent les sites
octaédriques). On donne les rayons ioniques 
 et  ,  , 
et le nombre d’Avogadro 
1) Faire un schéma de la structure cristalline
2) Calculer le nombre d’ions chlorure et le
nombre d’ion sodium appartenant à la maille
dessinée
3) Evaluer la masse volumique ρ de ce sel.
On a  soit 4 ions chlorure et si tous les sites
octaédrique sont occupés alors  soit 4 ions
sodium.
La masse volumique est donc donnée par :
Avec 
Et  , 
Donc : 
Exercice 11 : site tétraédrique et octaédrique
1) Déterminer les positions, le nombre de sites
octaédriques et tétraédriques dans la
structure cubique faces centrées.
2) Donner leurs habitabilité (rayon  et 
maximal de la sphère qui peut s’insérer dans le
site sans déformer la structure) en fonction
du rayon  du motif
Les sites octaédrique sont situées au milieu de chaque
arrêtes et au centre de la maille :
Le rayon disponible vérifie alors :
Avec : 
Donc : 
Les sites tétraédrique sont inscrit dans les 8 cubes
d’arrête a/2 inscrit dans la maille d’arrête a
Le contact entre l’atome dans le site et les autres
atomes impose : 
Avec un CFC qui impose 
Donc : 

Chimie TD1 TSI2_2015_2016
Exercice 12 : Carbone et silicium
1) Expliquer pourquoi les atomes de carbone et
de silicium présentent des propriétés
physicochimiques communes.
2) Ces deux atomes cristallisent (séparément)
dans une structure identique de type cubique
face centrée avec de surcroît la moitié des 8
sites tétraédriques non conjoints occupés. On
donne les distances interatomiques carbone-
carbone   et silicium-silicium
. Calculer la masse volumique
de ces deux cristaux.
,
Ces atomes appartiennent à la même colonne du tableau
périodique :   et  . Ils ont donc tous les
deux la même configuration électronique des électrons
de valence :  ce qui leur confère les mêmes
propriétés chimiques.
Les sites tétra sont ceux qui fixent le contact
jointif (car ici on insère des atomes plus gros que la
limite sans déformation):
Exercice 13 : Stockage de l’hydrogène
Il est possible d’insérer des atomes d’hydrogène dans
un cristal CFC compact de titane. A basse pression on
insère alors les atomes d’hydrogène dans chaque site
tétraédrique.
1) Quelle est la formule exacte du composé 
obtenu ?
2) Les rayons atomiques sont   et
. L’hydrogène fait-il gonflé le
métal ?
3) Quels sont le rayon  du site tétarédrique et
l’arrête  de la maille ?
Si tous les sites tétraédriques sont occupés alors il y a
8 H dans la maille pour 4 Ti soit  .
Dans cette situation, le contact est assuré entre atome
de Titane car  donc :
Soit 
Et le site tétraédrique est inscrit dans un cube de
diagonale :  soit