UNIVERSITE MONTPELLIER II

Travaux Dirigées
L2-ENSI-CONCOURS-2010 – Université Montpellier2
TD 1 : Structure atomique. Configuration électronique des atomes et des ions.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------I. Vrai ou Faux ?
1) L’atome est constitué de deux particules subatomiques, protons et neutrons.
2) Les électrons se trouvent sur les orbites autour de l’atome.
3) Il existe quatre nombres quantiques : nombre quantique principale, nombre quantique
secondaire (azimutale), nombre quantique magnétique et nombre quantique magnétique de spin.
4) Principe de Pauli : dans un édifice, 2 électrons ne peuvent avoir leur 4 nombres quantiques
identiques.
5) Une orbitale atomique ne contient au maximum qu’un électron.
6) Trois orbitales p ne contiennent au maximum que trois électrons.
7) Les orbitales de type s sont de symétrie sphérique.
8) Un atome excité est un atome qui a perdu un électron.
9) Dans les atomes poly électroniques, le remplissage des orbitales se fait par valeurs croissantes
de n.
10) Lorsque deux électrons doivent être placés dans deux orbitales atomiques dégénérées, la
situation le plus stable correspond à l’occupation d’une seule orbitale par les deux électrons.
11) Un atome ayan un nombre pair d’électrons est nécessairement diamagnétique.
12) Un atome ayant un nombre impair d’électrons est nécessairement paramagnétique.
13) La configuration électronique de valence donne lesoccupations électroniques des orbitales
les plus externes.
I. Donner les configurations électroniques des atomes 5B, 6C, 7N, 8O. Représenter les
électrons sur les niveaux énergétiques (sur les orbitales).
II. Donner les configurations électroniques complètes des atomes suivantes : 19K, 40Zr, 71Lu,
24
Cr, 29Cu.
III. Donner la configuration électronique fondamentale du S (Z=16) et S2-.
IV. Préciser les configurations électroniques des atomes et des ions suivantes : Ni, Ni2+, Ag,
Ag+, Zn, Zn2+, Ti, Pd.
V. Compléter le tableau suivant pour n=1-4 :
n
l
Nome de sous-couche
ml
Nombre et forme d’orbitales atomiques
1
0
1s
0
1, sphérique
……………….
TD2 : Classification périodiques des éléments. Configuration électronique des éléments.
-------------------------------------------------------------------------------------------I. Donner la signification des mots et expressions suivantes : tableau périodique des éléments,
période – groupe – bloc de la classification périodique, numéro atomique. Indiquer la place des
métaux alcalins et alcalinoterreux, halogènes, gaz noble, métaux de transition dans la table
périodique de Mendeleïev.
II. Déterminer, sans consulter de références, les répartitions électroniques des atomes suivants :
a) Tellure (Z = 52)
b) Mercure (Z = 80)
c) Nickel (Z = 28)
d) Cr3+; K+, Mo3+, Cu2+, Pt, Pt2+, Ge
III. Combien d’électrons célibataires se trouvent dans les composés suivants : Al, S, Cr2+, Cr3+,
Ir3+, Mo4+, Mo3+, Co2+, Fe2+, Fe3+
IV. Soient les configurations électroniques suivantes supposées dans l’état fondamental.
Lesquelles sont incorrectes et pourquoi ?
V. Les valeurs numériques suivantes des nombres quantiques pour un électron dans un atome
sont-elle possibles ou non ?
1
n=2
l=0
m=0
2
n=2
l=2
m=0
3
n=2
l=1
m = -1
4
n=0
l=0
m=0
VI. Les distributions électroniques suivantes correspondent-elles à l’état fondamental, à un état
excité, ou sont-elles impossibles ?
1
1s2
2p63s2
2
1s2
2p62d2
3
1s2
2s12p3
4
(He) 2s2
5
(Xe) 5s2
6
(Ne) 3s13p33d2
7
(Ne) 3s23p4
VII. Quels sont les éléments suivants : 1s22s22p63s23p64s2 ; [Xe] 4f145d16s2
VIII. Donner les définitions de l’énergie d’ionisation, d’affinité électronique, d’électronégativité.
IX. Préciser les configurations électroniques des ions suivants :
a) F-; Na+; Mg2+;
b) Cl-; Ca2+;
c) Mn2+ ; Fe2+; Co2+; Ni2+;
d) Cr3+; Fe3+.
X. On considère les atomes de charge nucléaire Z inférieure ou égale à 20 dans leur état
fondamental. Quel sont ceux qui :
1) sont diamagnétique ?
2) ne possèdent qu’un électron célibataire ?
3) possèdent deux électrons célibataires ?
XI. Donner la configuration électronique du platine (Pt, Z = 78) qui respecte la règle de
Klechkowsky. Sachant que les niveaux des OA 6s et 5d sont très proches en énergie, proposer
deux autres configurations électroniques possibles pour cet atome dans son état fondamental.
TD 3 : Classes de composés inorganiques. Degré d’oxydation des éléments.
-------------------------------------------------------------------------------------------I. A partir de la configuration électronique de valence des atomes, proposer une formule pour les
composés formés de:Ca et O, K et Cl, Ge et O, P et H, Ca et Cl, Ge et Cl, Al et O, As et N.
II. Déterminer la nature des composés, leur nom et les degrés d’oxydation des éléments dans de
composés suivants :
a) F2, P4, S6 ;
b) OF2, CaF2, BaO, BaO2, Na2O, Na2O2 ;
c) CaSbF5;
d) PF6-, PF4+, IF4-, IF4+;
e) P4O10, P4O8, P4O6, P4O9
f) Mn2O7, Cr2O7;
g) PBr4+
h) NO2+
i) Ca3(PO4)2, KClO3, KClO, K2MnO4, Fe2MnO4, KMnO4;
j)
Na2S2O7, Na2S2O8, S2O62-; S2O42-, S2O72-, S2O82-
III. Quelles sont les entités chimiques présentes dans les substances suivantes:
Cl2, MgCl2, KClO4, K2SO4, MgSO4, KSbF6, CaSbF5, K2MnO4, PbCl2, PbCl4, Cl2O7, CaF2,
Ca(OH)2, K2O, K2O2, KClO2, CaCl2, CO2, COCl2, CoCl2.
Donner les DO des éléments.
TD 4 : Structure de Lewis, V.S.E.P.R.
I. Pour quelle(s) entité(s) présente(s) dans les substances suivantes est-il possible d’appliquer la
systématique de Lewis ?
NaCl, Cl2, SO3, CaF2, Na2O2, Na2CO3, Na2C2O4, BF3, KIO3, Fe2O3.
II. Représenter les structures de Lewis et les géométries selon la systématique V.S.E.P.R. de trois
molécules CH4, NH3 et H2O de formule générale AHn (n = 4, 3, 2). Comment évolue l’angle
AHA dans cette séquence ?
III. Donner les structures de Lewis et les géométries selon la systématique V.S.E.P.R. d’entités
chimiques :
BeH2, BF3, PF3, SF6, BrF3, PCl5, PCl6-, PCl4+, XeF4, SF4, SO3, SO2, SO42-, COCl2, SF4O,
XeF2O4, PF3O.
IV. Les ions de formule ICl2- et ICl2+ sont connus. Ont-ils touts les deux la même géométrie ?
V. Le brome forme avec le fluor des molécules de formule BrFm. Quelles sont les valeurs de m a
priori possible ? Prévoir la géométrie moléculaire de ces entités.
VI. L’iode forme également avec le fluor des ions moléculaires de formule IFn+ et IFn-. Quelles
sont les valeurs possibles de n et la géométrie des ions correspondants ?
TD 5 : Acide-Base.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------1) On introduit 153 mg d’HNO3 à 65 % dans un récipient et on complète à un litre par de l’eau
pure. Calculer les concentrations des espèces présentes ainsi que le pH.
2) Calculer les concentrations des espèces présentes dans une solution de Ba(OH)2 10-3 M et le
pH.
3) Trouver les concentrations des espèces présentes dans une solution de HF 10-3 M (Ka =
7.2410-4 molL-1 à 20° C).
Solution tampon.
4) Calculer le pH d’une solution tampon qui contient 1 mol/l CH3COOH et 1 mol/l CH3COONa
après qu’on ajoute 0.1 mol HCl à 1 l de cette solution tampon. Ka = 1.8x10-5.
5) Quel est le pH d’une solution obtenue en mélangeant 10,7 g NH4Cl et 35 ml NH3 à 25 % (d =
0,907 g/ml) et en complétant à 100 ml par de l’eau pKa (NH4+/NH3) = 9,25.
6) Solution tampon 0.1 M (NH4)2SO4 ; 0.1 M NH4OH. Calculer le pH. pKa (NH4+/NH3) = 9,25.
7) La solution de 2x10-3 CH3COOH et 2x10-3 KOH. pKa = 4.75. Calculer le pH.
Acides polyprotiques :
8) La concentration de la solution saturée de H2S est de 0.13 mol/l à 20°C. Calculer les
concentrations de H+, HS-, S2-. Ka1 = 1x10-7, Ka2 = 1x10-14.
9) Calculer la concentration des ions HS- et S2- dans une solution de H2S 0.13 M qui contient
0.01 mol/l de HCl. Ka1 = 10-7 ; Ka2 = 10-14.
10) Calculer le pH d’un acide H2C2O4 0.1 M (Ka1 =5.9x 10-2 mol/l; Ka2 = 6.4x10-5mol/l ).
11) Calculer la concentration des espèces en solution 10-2 M de H2SO4 et le pH (Ka2 = 10-2).
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TD6. Acide-Base 2 :
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------1. Dites à quelle famille appartiennent les composés suivants :
Na2O, H2SO4, KNO3,ZnCl2,KOH, Ba(OH)2, CuCl2, H3BO3, MnSO4, HCl, Ca(OH)2, Fe(OH)3,
Na2CO3, H3PO4
2. Parmi les acides suivants, quels sont les acides forts ?
H2CO3, H2SO4, H3PO4, HNO3, HCl , CH3COOH (acide acétique; vinaigre), H3BO
3. Nommez 2 bases fortes.
4.
Pourquoi la fumée des cheminées (les oxydes gazeux SO2 et NO2) peut-elle provoquer
des pluies acides ?
5.
Les sels sont-ils tous neutres ?
6.
Dressez une liste des principaux sels neutres.
7.
Donnez un exemple de sel à caractère
a)
acide
b)
basique
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Qu'est-ce qu'un acide ?
Qu'est-ce qu'une base ?
Qu'est-ce qu'un acide fort ?
Qu'est-ce qu'une base faible ?
Qu'est-ce qu'un sel ?
Qu'est-ce qu'un oxyde ?
Indiquez si les sels suivants ont un caractère neutre, acide ou basique.
NaNO3
ZnCl2
BaCl2
Pb(NO3)2
Ca3(PO4)
Na2SO4
KCl
Na2CO3
K2SO4
15.
Indiquez si ces oxydes ont un caractère acide ou basique.
K2O
CaO
SO3
NO
NO2
MgO
Na2O
SO2
P2O5
16.
Un acide fort donne-t-il un pH plus élevé qu'un acide faible de même concentration ?
17.
Une base faible donne-t-elle un pH plus bas qu'une base forte de même concentration
?
18.
Laquelle des deux solutions acides nécessite plus de base pour sa neutralisation ?
Expliquez votre choix.
a)
10,00 mL de solution d'un acide fort
b)
10,00 mL de solution d'un acide faible de même concentration
19.
Laquelle des deux solutions acides donnera le pH le plus bas ?
Expliquez votre choix.
a)
10,00 mL de solution d'un acide fort
b)
10,00 mL de solution d'un acide faible de même concentration
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TD 7: Chimie Minérale.
Structure des Corps Simples. Structure cubique à faces centrées.
I. Le fer cristallise sous diverses formes structurales dont l’une correspond à un réseau
Cubique Centré (CC), variété . Une autre forme structurale est un réseau Cubique à Faces
Centrées (CFC), variété . Nous nous intéressons à la forme  (CFC).
1. Décrire la structure CFC de la forme  en précisant a) la compacité, b) la coordinence du
fer et c) la nature et le nombre de sites interstitiels qu’elle contiennent.
2. Représenter, pour la structure (CFC) du fer, les motifs et les sites interstitiels dans les
plans suivants :
a) Plan (1, 0, 0) ; (1, 1, 0) ; (1, 0, 1) ; (1, 1, 1)
b) Plan (1, 0, 0) ; (0, 1, 0) ; (1, 0, 1) ; (0, 1, 1)
c) Plan (1, 0, 1) ; (0, 1, 1) ; (1, 1, 0)
3. Déterminer le paramètre acfc.
4. Le réseau est susceptible d’accueillir des atomes étrangers venant s’insérer dans les sites
octaédriques et tétraédriques. Calculer, dans chaque cas, le rayon maximum r que peut
avoir un tel atome, en supposant une invariance du paramètre de la maille.
Données numériques :
- rayons atomiques (en pm) : R(Fe) = 124 pm ; masses molaires : M(Fe) = 55,85 g mol-1 ;
II. L’argent cristallise selon la structure cubique à faces centrées. Le paramètre de maille est
égal à 4.086 Å.
1. Quelles sont les coordonnées réduites des atomes d’argent ?
2. Représenter cette structure en projection.
3. Représenter la position des atomes dans le plan (110).
4. Calculer la masse volumique de l’argent (M (Ag) = 107.9 g.mol-1).
5. En supposant que la structure est parfaitement compacte, calculer le rayon de l’atome
d’argent.
6. Quel est le nombre de sites octaédriques par maille ? Préciser leurs positions.
7. Est-ce qu’un atome possédant d’un rayon 0.598 Å pourrait s’insérer dans un site
octaédrique ?
III. Le cobalt bêta cristallise suivant l’empilement cubique à faces centrées, le paramètre de la
maille a est égale à 3.548 Å.
1. Représenter la maille en perspective et en projection sur l’axe Z.
2. Déterminer le rayon de l’atome du cobalt.
3. Calculer la masse volumique du cobalt (M (Co) = 58,93 g mol-1)
IV. Dans un composé métallique LixAly, les atomes d’aluminium occupent les nœuds d’un
réseau cubique à faces centrées et la moitié des sites tétraédriques. Les atomes de lithium se
trouvent dans les sites octaédriques et dans la moitié des sites tétraédriques. Déterminer x et y.
V. L’or (R(Au) = 144.2 pm) cristallise dans un réseau cfc. Calculer le paramètre de la maille.
L’or blanc des joailliers est un alliage d’or et de nickel (r (Ni) = 124.6 pm). Montrer que le
nickel ne peut pas former d’alliage d’insertion avec l’or.
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TD 8: Structure des Corps Simples. Structure hexagonale compacte.
I. Le cobalt cristallise sous deux formes structurales avec une maille hexagonale compacte
(HC) (forme ) et une maille CFC (forme ).
Regardons la forme  (maille hexagonale compacte).
1. Représenter la maille en perspective et en projection sur le plan (001), donner les
cordonnées atomiques.
2. Déterminer les paramètres ahc et chc de la maille. Démontrer le rapport théorique entre les
paramètres de la maille. Indiquer la coordinence.
3. Vérifier si la masse volumique expérimentale  = 8,84·103 kg m-3 est en accord avec les
paramètres calculés.
4. Définir la position et le nombre des sites octaédriques et tétraédriques (préciser les côtes
suivant l’axe c).
Données numériques : R (Co) = 1.774 Å
masses molaires : M (Co) = 58,93 g mol-1
II. Le titane existe sous deux variétés allotropiques alpha et bêta. La variété alpha est
hexagonal compact.
1) Donner la configuration électronique du titane (Z = 22).
2) Donner la définition de la maille hexagonale.
3) Quelle sont les coordonnées réduites des atomes de titane ?
4) Représenter cette structure en projection sur le plan de base.
5) Calculer le rayon de titane et le paramètre cTi en sachant que le paramètre aTi = 2.951 Å.
6) Calculer la masse volumique du titane alpha (MTi = 47.87 g.mol-1).
7) Le réseau hexagonal compact est susceptible d’accueillir des atomes étrangers venant
s’insérer dans les sites octaédriques et tétraédriques. Calculer, dans chaque cas, le rayon
maximum r que peut avoir un tel atome, en supposant une invariance du paramètre de la
maille.
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TD 9: Structure des Corps Simples. Structure cubique centrée et cubique simple.
I. Le zirconium  cristallise dans le réseau cubique centré (CC). Son rayon atomique est 0.158
nm.
1) Décrire sa structure, préciser l’empilement. Calculer la compacité, le nombre de
motifs par maille, le paramètre de la maille acc, la coordinence du Zr.
2) Représenter les sites interstitiels qu’elle contient. Calculer, dans chaque cas, le rayon
maximum r que peut avoir un tel atome, en supposant une invariance du paramètre de
la maille.
3) Calculer la masse volumique. On prendra M (Zr) = 91.2 g mol-1.
II. Le titane existe sous deux variétés allotropiques. La variété bêta est de type cubique centré,
le paramètre de maille est égal à 3.306 Å.
1) Calculer le rayon d’un atome de titane.
2) Calculer la compacité du Ti bêta.
3) Calculer la masse volumique du Ti bêta (M Ti = 47.87 g.mol-1).
III. L’alliage FeTi présente une structure simple : la maille élémentaire est cubique (a = 2.979
Å) et comporte un atome de titane à chaque sommet et un atome de fer au centre du cube.
1) Représenter la structure de FeTi.
2) Cette structure peut accueillir les atomes d’hydrogène. Seuls les sites formés par deux
atomes de fer et 4 atomes de Ti peuvent être occupés par des atomes d’hydrogène.
Représenter la structure avec les sites occupés par les atomes d’hydrogène. Quels sont
le nombre et la nature de ces sites ? Donner les coordonnées réduites de ces sites.
Donner la formule de l’hydrure FeTiHn.
IV. Le tungstène W adopte une structure cubique centrée avec un paramètre de maille a =
3.165 Å.
1) Tracer une projection de la maille dans le plan (001).
2) Quel est le nombre d’atome de tungstène par maille ? en déduire la densité de ce métal
(MW = 183.85 g.mol-1).
3) Décrire la coordinence de l’atome situé en ½, ½, ½ en terme de distance inter
atomique.
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TD 10: Diamant. Graphite.
Le carbone présente deux variétés allotropiques :
- le diamant à structure cubique à faces centrées avec occupation de la moitié des sites
tétraédriques
- le graphite à structure hexagonale lamellaire.
1) Représenter ces deux structures en perspective et en projection sur l’axe z.
2) Calculer la plus courte distance entre les atomes de carbone les plus proches dans les
deux cas.
3) Donner la compacité, la coordinence et le nombre de motifs par maille dans les deux
cas.
4) Donner la distance inter feuillets dans le graphite.
5) Calculer la masse volumique et le volume d’une mole pour le diamant et le graphite.
Expliquer la différence des propriétés du diamant et du graphite.