Chimie Premier exercice : Préparation du silicium (7 points

Collège des Saints Cœurs Examen 2, mars 2011
Sioufi Classe : 3
e
Durée : 55 minutes
Chimie
Cette épreuve est constituée de trois exercices.
Elle comporte deux pages numérotées 1/2 et 2/2.
L’usage de la calculatrice n’est pas autorisé.
Premier exercice : Préparation du silicium (7 points)
Le silicium, de symbole Si, est un métalloïde utilisé en électronique pour fabriquer les piles solaires,
les transistors et les circuits intégrés. Il est casé dans la troisième période et la quatorzième colonne
du tableau périodique.
1. Déterminer le numéro atomique du silicium.
2
.
Le silicium se trouve dans la nature
comme un mélange de trois variétés
d’atomes. L’abondance relative de ces
variétés d’atomes est indiquée dans le
tableau ci-contre.
Nombre de
masse
A = 28 A = 29 A = 30
Abondance
relative
90 % 6 % 4 %
a. Écrire le nuclide de l’atome de silicium le moins abondant dans la nature.
b. Quelle est la masse molaire du silicium le plus abondant dans la nature ?
Calculer la quantité de matière contenue dans 5,6 g de cette variété de silicium.
c. Comment appelle-t-on ces trois variétés d’atomes ? Justifier la réponse.
3. Le silicium pur peut être préparé à partir du sable pur ou du silane.
Le sable pur ou quartz est formé des deux éléments chimiques : silicium Si et oxygène
8
O.
Le silane est un gaz formé des deux éléments chimiques : silicium Si et hydrogène
1
H.
a. Écrire la configuration électronique de l’atome d’oxygène et celle de l’atome d’hydrogène.
b. Donner les représentations de Lewis des atomes : Si, O et H.
c. Expliquer le type de liaison établie entre le silicium et l’oxygène pour former le quartz.
Donner la formule structurale et la formule moléculaire du quartz.
d. Expliquer le type de liaison établie entre le silicium et l’hydrogène pour former le silane.
Donner la formule structurale et la formule moléculaire du silane.
Deuxième exercice : La pile Nickel - Argent (6 points)
On constitue une pile
électrochimique comme
dans la figure ci-contre.
1. Compléter l’annotation
de la pile sans
reproduire le schéma.
Fil de connexion Ampèremètre
A
a e
-
b c
Solution contenant Solution contenant
des ions Ni
2+
des ions Ag
+
1/2

2. Identifier l’anode et la cathode dans cette pile. Justifier.
3. Nommer le phénomène qui se déroule au niveau de chacune des électrodes : positive et négative.
Écrire la demi-équation de chaque réaction.
4. Déduire l’équation-bilan de la réaction de fonctionnement de la pile Ni - Ag.
Comment appelle-t-on ce type de réaction ? Justifier.
5. Nommer l’oxydant dans cette réaction. Justifier la réponse.
Troisième exercice : Électrolyse (7 points)
A. Électrolyse de l’eau
On réalise l’électrolyse de l’eau en milieu acide. Lorsqu’on ferme le circuit, on observe un
dégagement gazeux au niveau de chaque électrode.
1. Nommer le gaz dégagé au niveau de chaque électrode. Écrire la demi-équation
correspondante.
2. Écrire l’équation-bilan de l’électrolyse de l’eau en milieu acide.
B. Dorure d’une boule en fer
On désire recouvrir une boule en fer par une mince couche d’or. On dispose du matériel suivant :
- boule en fer ;
- lame de fer ;
- lame d’or ;
- solution concentrée en ions Fe
2+
;
- solution concentrée en ions Au
3+
;
- générateur de tension continue ;
- fils de connexion ;
- électrolyseur.
1. Choisir le matériel nécessaire à la dorure de la boule en fer.
2. Faire un schéma annoté du montage réalisé. Indiquer le sens de déplacement des électrons.
3. Écrire la demi-équation électronique de la réaction qui se déroule à chaque électrode.
4. Expliquer comment varie la concentration des cations métalliques en solution.
5. Donner le nom de ce type d’électrolyse.
BON TRAVAIL !
2/2

Classe de 3
e
Examen 2, mars 2011
Chimie
Corrigé Barème
Premier exercice : Préparation du silicium (7 points)
1. Détermination du numéro atomique du silicium
Le numéro atomique d’un élément représente le nombre de protons de cet élément.
Le silicium est casé dans la 3
e
période du tableau périodique ; l’atome de silicium possède alors 3
niveaux d’énergie. Puisqu’il est dans la 14
e
colonne, donc il fait partie du groupe IV et l’atome
possède 4 électrons externes (périphériques).
Par conséquent, la configuration électronique de l’atome de silicium est : K
2
L
8
M
4
.
Ayant 14 électrons, l’atome de silicium a également 14 protons puisque l’atome est
électriquement neutre. Donc le numéro atomique du silicium est : Z = 14 .
2. Les variétés d’atomes de silicium
a. D’après le tableau, l’atome de silicium le moins abondant dans la nature (abondance relative de
4 %) a comme nombre de masse A = 30. D’autre part, on sait que tous les atomes d’un même
élément chimique ont le même numéro atomique.
On peut alors écrire le nuclide de cet atome de silicium :
30
14
Si .
b. L’atome de silicium le plus abondant dans la nature (90 %) a comme nombre de masse A = 28.
La masse molaire atomique de cette variété de silicium, qui équivaut au nombre de masse A de
l’atome exprimé en g/mol, est alors : M = 28 g/mol .
La quantité de matière (n) est le quotient de la masse donnée (m) par la masse molaire (M) :
mol. 0,2
28
5,6
M
m
n === La quantité de matière est donc : n = 0,2 mol .
c. Les trois variétés d’atomes de silicium ont même numéro atomique mais différents nombres de
masse. On les appelle atomes isotopes de l’élément silicium.
3. Préparation du silicium pur
a. Dans un atome neutre, le nombre de protons (p
+
) est égal au nombre d’électrons (e
-
). Ainsi :
- l’atome d’oxygène a 8 p
+
donc 8 e
-
; sa configuration électronique est : K
2
L
6
.
- l’atome d’hydrogène a 1 p
+
donc 1 e
-
; sa configuration électronique est : K
1
.
b. Les atomes de silicium, d’oxygène et d’hydrogène ont respectivement 4, 6 et 1 e
-
périphériques.
Les représentations de Lewis de ces atomes sont respectivement : Si ; O ; H.
c. Formation de la molécule de quartz
L’atome de silicium a besoin de 4 e
-
pour saturer son niveau périphérique à 8 e
-
et réaliser l’octet.
L’atome d’oxygène a besoin de 2 e
-
pour réaliser l’octet. Un atome de silicium met alors en
commun ses 4 e
-
célibataires avec ceux de deux atomes d’oxygène. Il s’établit entre ces trois
atomes deux liaisons covalentes doubles pour former une molécule de quartz.
La formule structurale du quartz est : O = Si = O et sa formule moléculaire est : SiO
2
.
d. Formation de la molécule de silane
L’atome d’hydrogène a besoin d’un seul e
-
pour accomplir le duet alors que l’atome de silicium a
besoin de 4 e
-
pour accomplir l’octet. Un atome de silicium met alors en commun chacun de ses 4
e
-
célibataires avec l’électron célibataire d’un atome d’hydrogène, établissant ainsi 4 liaisons
covalentes simples. H
La formule structurale du silane est : H – Si – H et sa formule moléculaire est : SiH
4
.
H
1 pt
½ pt
½ pt
¾ pt
½ pt
¼ pt
½ pt
¾ pt
¾ pt
½ pt
½ pt
½ pt
1/2

Corrigé Barème
Deuxième exercice : La pile Nickel - Argent (6 points)
1. Annotation du schéma de la pile
a = pont salin ; b = lame de nickel ; c = lame d’argent.
2. Identification de l’anode et de la cathode
Dans une pile électrochimique, les électrons se déplacent de l’anode vers la cathode. Puisque,
dans le schéma de la pile, le déplacement des électrons se fait de la lame de nickel vers la lame
d’argent, on déduit que la lame de nickel constitue l’anode de la pile et la lame d’argent constitue
la cathode.
3. Réactions au niveau des électrodes et demi-équations électroniques
•
••
• Au niveau de l’électrode positive ou cathode, il y a réduction des ions Ag
+
.
La demi-équation correspondante est : Ag
+
+ e
-
→ Ag ou 2 Ag
+
+ 2 e
-
→ 2 Ag
•
••
• Au niveau de l’électrode négative ou anode, il y a oxydation des atomes Ni.
La demi-équation correspondante est : Ni → Ni
2+
+ 2 e
-
4. Équation-bilan de la réaction de fonctionnement de la pile et type de réaction
L’équation- bilan est : Ni + 2 Ag
+
→ Ni
2+
+ 2 Ag
Cette réaction, au cours de laquelle il y a eu simultanément oxydation d’une espèce chimique (Ni)
et réduction d’une autre (Ag
+
), est appelée réaction d’oxydoréduction.
5. Nom de l’oxydant
L’oxydant dans une réaction est l’espèce chimique qui gagne des électrons (espèce réduite). Donc
l’oxydant dans cette réaction est l’ion Ag
+
.
¾ pt
1 pt
½ pt
½ pt
½ pt
½ pt
½ pt
¾ pt
1 pt
Troisième exercice : Électrolyse (7 points)
A. Électrolyse de l’eau en milieu acide
1. À l’anode, il y a dégagement de dioxygène. La demi-équation correspondante est :
2 H
2
O → O
2
+ 4 H
+
+ 4 e
-
À la cathode, il y a dégagement de dihydrogène. La demi-équation correspondante est :
4 H
+
+ 4 e
-
→ 2 H
2
2. Équation-bilan de l’électrolyse de l’eau : 2 H
2
O → 2 H
2
+ O
2
B. Dorure d’une boule en fer
1. Matériel nécessaire
2. Schéma annoté du montage réalisé
- boule en fer ;
- lame d’or ;
- solution concentrée
en ions Au
3+
;
- générateur de tension
continue ;
- fils de connexion ;
- électrolyseur.
générateur de + -
tension continue fil de connexion
e
-
e
-
lame d’or
boule en fer
(anode) (cathode)
solution concentrée
en ions Au
3+
électrolyseur
3. Demi-équations aux électrodes
Demi-équation à l’anode : Au → Au
3+
+ 3 e
-
(oxydation des atomes d’or Au)
Demi-équation à la cathode : Au
3+
+ 3 e
-
→ Au (réduction des ions or Au
3+
)
4. Variation de la concentration des cations métalliques
Au cours de l’électrolyse, le nombre d’ions Au
3+
produits à l’anode par oxydation est égal au
nombre d’ions Au
3+
réduits à la cathode. Ainsi, la concentration des cations Au
3+
reste la même.
5. Nom du type d’électrolyse
Ce type d’électrolyse est nommé électrolyse à anode soluble.
½ pt
½ pt
½ pt
½ pt
½ pt
1. ¾ pt
schéma
1 pt ½
½ pt
½ pt
¾ pt
½ pt
2/2