Epreuve de : Atomistique et Liaisons Chimiques

UNIVERSITE DE LORRAINE
FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
DIPLOME : LPC (L1PC-S1)
Epreuve de : Atomistique et Liaisons Chimiques
Session de : novembre 2012
Date :
Horaire :
SUJET D’EXAMEN
CODE APOGEE : LCPC1U04C1
Dur´ ee du sujet : 1h30
Nom du coordinateur : G. Monard
Calculette autoris´ ee
Documents non autoris´ es
Les exercices sont ind´ ependants.
Exercice 1
1. Donner la configuration ´ electronique, dans leur ´ etat fondamental, des atomes de bore (B)
et de chlore (Cl), en indiquant dans chaque cas quels sont les ´ electrons de cœur et de
valence.
2. Ces deux atomes peuvent se combiner pour former la mol´ ecule de chlorure de bore BCl3.
Donner une structure de Lewis de cette mol´ ecule. En d´ eduire sa g´ eom´ etrie VSEPR (figure
+ angles id´ eaux). BCl3est-il un acide ou une base de Lewis ?
3. A l’´ etat gazeux, BCl3se dim` erise en B2Cl6. Sachant que cette mol´ ecule ne pr´ esente que
des liaisons covalentes B–Cl, proposer une structure de Lewis de la mol´ ecule B2Cl6qui
respecte la r` egle de l’octet. Quelle est la g´ eom´ etrie VSEPR autour des atomes de bore ?
Exercice 2
Soit un atome de Bore (B) :
1. Quelle est sa configuration ´ electronique ` a l’´ etat fondamental ?
2. Calculer selon le mod` ele de Slater rappel´ e en annexe du sujet l’´ ecrantage d’un ´ electron
positionn´ e dans une orbitale 1sdu bore. Calculer l’´ ecrantage d’un ´ electron positionn´ e
dans une orbitale 2s,2p?
3. Donner, toujours selon le mod` ele de Slater, les valeurs des ´ energies des orbitales atom-
iques 1set 2s,2pen eV.
4. Calculer l’´ energie de l’atome de bore, en eV, dans son ´ etat fondamental selon le mod` ele
de Slater.
5. Sachant que l’´ energie exp´ erimentale d’un atome de bore vaut -671.9 eV, calculer l’erreur
relative du mod` ele de Slater par rapport ` a la valeur exp´ erimentale 1.
6. Sachant que, selon le mod` ele de Slater, l’´ energie d’un ion B+vaut -660.0 eV, quel est le
potentiel d’ionisation du bore selon le mod` ele de Slater ?
7. Sachant que le potentiel d’ionisation exp´ erimental du bore vaut 8.3 eV, calculer l’erreur
relative du mod` ele de Slater par rapport ` a la valeur exp´ erimentale.
8. D’apr` es les deux erreurs relatives calcul´ ees pr´ ec´ edemment, qu’en concluez-vous sur la
validit´ e du mod` ele de Slater ?
1. Pour rappel, l’erreur relative d’une quantit´ e A par rapport ` a une quantit´ e B de r´ ef´ erence vaut, en %, 100|A−B|
B
1

Exercice 3
Si un atome d’hydrog` ene dans son ´ etat fondamental absorbe un photon de longueur d’onde λ1
puis ´ emet un photon de longueur d’onde λ2, sur quel niveau se trouve l’´ electron apr` es ´ emission
si λ1=94 nm et λ2=411 nm ?
Donn´ ees : 1 eV = 1,6 .10−19 J ; h=6,626 .10−34 J.s ; c=3.108m.s−1;
Exercice 4
On consid` ere les mol´ ecules de formule chimique respectives H2CO, CH3OH et NCl3.
Pour chacune de ces mol´ ecules :
1. Etablir un sch´ ema de Lewis respectant la r` egle de l’octet.
2. Etablir le tableau r´ ecapitulatif des orbitales mol´ eculaires (σ,π, non-liantes, π∗,σ∗) qui
composent chaque mol´ ecule.
2

La-Lu
57-71
Ac-Lr
89-103
Tc
Lr
Pm
Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No
Bh
Rf Db Sg Hs Mt
1
2
3
4
5
6
7
1.0079
14.0026 2
20.180
10
14.007
7
39.948
18
35.453
17
18.998
9
15.999
8
83.80
36
131.29
54
(222)
86
12.011
6
C
10.811
B
5
26.982
Al
13 28.086
Si
14 30.974
P
15 32.065
S
16
6.941
Li
39.0122
Be
4
22.990
Na
11 24.305
Mg
12
39.098
K
19 40.078
Ca
20 44.956
Sc
21 47.867
Ti
22 50.942
V
23 51.996
Cr
24 54.938
Mn
25 55.845
Fe
26 58.933
Co
27 58.693
Ni
28 63.546
Cu
29 65.39
Zn
30 69.723
Ga
31 72.64
Ge
32 74.922
As
33 78.96
Se
34 79.904
35
85.468
Rb
37 87.62
Sr
38 88.906
Y
39 91.224
Zr
40 92.906
Nb
41 95.94
Mo
42
132.91
Cs
55 137.33
Ba
56
138.91
La
57
178.49
Hf
72 180.95
Ta
73 183.84
W
74
(223)
Fr
87 (226)
Ra
88
(227)
Ac
89
(98)
43 126.90
I
53
101.07
Ru
44 102.91
Rh
45 106.42
Pd
46 107.87
Ag
47 112.41
Cd
48
186.21
Re
75 190.23
Os
76 192.22
Ir
77 195.08
Pt
78 196.97
Au
79 200.59
Hg
80 204.38
Tl
81 207.2
Pb
82 208.98
Bi
83 (209)
Po
84 (210)
At
85
114.82
In
49 118.71
Sn
50 121.76
Sb
51 127.60
Te
52
H He
NeN
Ar
Cl
F
O
Kr
Xe
Rn
Br
IA
IIA
IIIB IVB VB VIB VIIB IB IIB
IVA VA VIA VIIA
VIIIB
VIIIA
1
5
4
2
3
13 14 15 16 17
18
678910 11 12
IIIA
6
7
174.97
Lu
71
140.12
Ce
58
232.04
Th
90 231.04
Pa
91 238.03
U
92
140.91
Pr
59 144.24
Nd
60
(262)
103
(145)
61
(237)
93 (244)
94 (243) 95 (247) 96 (247) 97 (251) 98 (252) 99 (257) 100 (258) 101 (259) 102
150.36
Sm
62 151.96
Eu
63 157.25
Gd
64 158.93
Tb
65 162.50
Dy
66 164.93
Ho
67 167.26
Er
68 168.93
Tm
69 173.04
Yb
70
(264)
107
(261)
104 (262)
105 (266)
106 (277) 108 (268)
109
10.811
B
5
13 IIIA
Copyright EniG.([email protected])©1998-2002
(281)
Uun
110 (272)
Uuu
111 (285)
Uub
112 (289)
Uuq
114
HYDROGÈNE HÉLIUM
NÉONAZOTE
ARGONCHLORE
FLUOROXYGÈNE
KRYPTON
XÉNON
RADON
CARBONEBORE
ALUMINIUM SILICIUM
PHOSPHORE SOUFRE
LITHIUM BÉRYLLIUM
SODIUM MAGNÉSIUM
POTASSIUM CALCIUM SCANDIUM TITANE VANADIUM CHROME MANGANÈSE COBALT NICKEL CUIVRE ZINC GALLIUM GERMANIUM ARSENIC SÉLÉNIUM BROME
RUBIDIUM STRONTIUM YTTRIUM ZIRCONIUM NIOBIUM
MOLYBDÈNE
CÉSIUM BARYUM
LANTHANE
HAFNIUM TANTALE TUNGSTÈNE
FRANCIUM RADIUM
ACTINIUM
TECHNÉTIUM
IODE
RUTHÉNIUM RHODIUM PALLADIUM ARGENT CADMIUM
RHÉNIUM OSMIUM IRIDIUM PLATINE OR THALLIUM PLOMB BISMUTH POLONIUM ASTATE
INDIUM ETAIN ANTIMOINE TELLURE
PÉRIODE
GROUPE
FER
MERCURE
Lanthanides
Actinides
LUTÉTIUMCÉRIUM
THORIUM
PROTACTINIUM URANIUM
PRASÉODYME NÉODYME
LAWRENCIUM
PROMÉTHIUM
NEPTUNIUM PLUTONIUM AMÉRICIUM CURIUM BERKÉLIUM CALIFORNIUM EINSTEINIUM FERMIUM MENDELÉVIUM NOBÉLIUM
SAMARIUM EUROPIUM GADOLINIUM TERBIUM
DYSPROSIUM HOLMIUM ERBIUM THULIUM YTTERBIUM
BOHRIUM
RUTHERFORDIUM
DUBNIUM
SEABORGIUM HASSIUM MEITNERIUM
http://www.ktf-split.hr/periodni/fr/
Lanthanides
Actinides
TABLEAUPÉRIODIQUEDESÉLÉMENTS
BORE
NOMBRE ATOMIQUE
NOMDEL'ÉLÉMENT
SYMBOLE
MASSE ATOMIQUERELATIVE(1)
NUMÉRODUGROUPE
CHEMICAL ABSTRACT SERVICE
(1986)
NUMÉRODUGROUPE
RECOMMANDATIONSDEL'IUPAC
(1985)
UNUNNILIUM UNUNUNIUM UNUNQUADIUM UNUNBIUM
(1)Pure Appl.Chem., ,No.4,667-683(2001)73
Editor:MichelDitria
La masse atomique relative est donnée avec
cinq chiffres significatifs. Pour les éléments qui
n'ont pas de nucléides stables, la valeur entre
parenthèses indique le nombre de masse de
l'isotope de l'élément ayant la durée de vie la
plus grande.
Toutefois, pour les trois éléments Th, Pa et U
qui ont une composition isotopique terrestre
connue, une masse atomique est indiquée.

Le mod`ele de Slater
Contrairement ` a l’atome d’hydrog` ene et aux ions hydrog´ eno¨ ıdes, l’´ energie totale d’un atome ` a plusieurs
´
electrons n’est pas calculable de mani` ere analytique simple. John C. Slater a d´ evelopp´ e dans les ann´ ees
1929-1930 un moyen calculatoire simple pour retrouver ces ´ energies : le mod` ele de Slater. Cette th´ eorie
empirique est bas´ ee sur les hypoth` eses suivantes :
– pour tout atome poly´ electronique, chaque ´ electron d’une sous-couche n,lconstitue avec le noyau de
charge Z un syst` eme hydrog´ eno¨ ıde fournissant une contribution −IZ∗
n,l
2
n2(avec I=13.6eV) `
a l’´ energie
totale de l’atome.
Z∗
n,lest appel´
ee la charge nucl´ eaire effective “vue” par l’´ electron de la sous-couche n,l. Il est diff´ erent
de Zcar les autres ´ electrons localis´ es sur la couche n,lainsi que dans les sous-couches inf´ erieures
´
ecrantent le noyau (effet d’´ ecran). On a donc Z∗
n,l<Z, soit Z∗ n,l=Z−σn,lavec σn,lla constante
d’´ ecran (>0).
– l’´ energie totale de l’atome est ´ egale ` a la somme alg´ ebrique des contributions de chaque couple
´
electron-noyau : E=
¯
e
∑
i
εi=∑
n,l
gn,lεn,l=−∑
n,l
gn,lIZ∗
n,l
2
n2
(avec gn,lle nombre d’´ electron dans une sous-couche n,l).
– J.C. Slater propose un moyen simple d’´ evaluer σn,l: la constante d’´ ecran est la somme de contribu-
tions ´ el´ ementaires (les coefficients d’´ ecran) calcul´ ees selon :
´
electron ´ electron faisant ´ ecran
consid´ er´ e 1s2s,2p3s,3p3d4s,4p4d
1s0.30
2s,2p0.85 0.35
3s,3p1 0.85 0.35
3d1 1 1 0.35
4s,4p1 1 0.85 0.85 0.35
4d1 1 1 1 1 0.35
4f11 1111