atomistique

Chimie&Chapitre&2&–&Atomistique& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&PCSI3&
&
1&
TD&CHAPITRE&2&:&ATOMISTIQUE&
&
Ce#qu’il#faut#savoir#:##
Connaître&l’ordre&de&grandeur&de&la&taille&d’un&atome,&des&masses&et&des&charges&de&l’électron&et&du&noyau& &
Connaître&les&4&nombres&quantiques&(principal,&secondaire,&magnétique,&de&spin)&
Les&différentes&règles&:&Principe&d’exclusion&de&Pauli,&règle&de&Klechkowsky,&règle&de&Hund&&
&
#
Ce#qu’il#faut#savoir#faire#:##
Etablir&la&configuration&électronique&à&l’état&fondamental&d’un&atome&ou&d’un&ion&connaissant&son&numéro&atomique&
Repérer&les&électrons&de&cœur&et&de&valence&d’un&atome&ou&d’un&ion&
Déterminer&le&nombre&d’électrons&non&appariés&(célibataires)&d’un&atome&à&l’état&fondamental&
Etablir& un& diagramme& qualitatif& des& niveaux& d’énergie& électroniques& pour& un& atome& donné& (OA& d’un& même& sous-couche&
dégénérées,&ou&d’une&même&couche&pour&l’atome&d’hydrogène)&
Déterminer&la&longueur&d’onde&d’une&radiation&émise&ou&absorbée&à&partir&de&la&valeur&de&la&transition&énergétique&mise&en&jeu&
(et&inversement)&(notion&de&désexcitation&(d’excitation),&de&spectre&d’émission&(d’absorption))&
&
Exercice#1#:#Autour#du#selenium#
Du#grec#«#selene#»,#la#Lune,#pour#indiquer#l’étroit#rapprochement#avec#l’élément#tellure#découvert#auparavant#(du#latin#tellus,#la#
Terre),# le# sélénium# (noté# Se)# a# été# découvert# en# Suède# par# Berzelius# en# 1817.# Contrairement# à# la# plupart# des# conducteurs#
électriques,#la#conductivité#du#sélénium#dépend#de#l’incidence#de#la#lumière.#Cette#«#photoconductivité#»#en#fait#un#élément#idéal#
pour#les#cellules#photoélectriques,#les#photopiles#solaires#et#les#caméras#de#TV.##
&
Le&sélénium&Se&a&un&numéro&atomique&! " #$.&A&l’état&naturel&le&sélénium&est&sous&forme&d’un&mélange&de&plusieurs&isotopes&
(voir&tableau&de&la&question&2).&
1)&Donner&la&composition&du&noyau& %&
'(
)* .&&
2)& Le& sélénium& est& en& fait& composé& de& plusieurs& isotopes,& présentés& dans& le& tableau& ci-dessous& avec&leurs& pourcentages&
isotopiques&respectifs.&
Isotope& %&
'(
+&
%&
'(
,( &
%&
'(
,- &
%&
'(
,, &
%&
'(
,) &
%&
'(
)* &
%&
'(
). &
Pourcentage&isotopique&/+&
0,89&%&
9,37&%&
7,63&%&
23,77&%&
49,61&%&
8,73&%&
Masse&molaire&(01 23456)&
73,9225&
75,9192&
76,9199&
77,9173&
79,9165&
81,9167&
Calculer&la&masse&molaire&du&mélange&naturel&de&sélénium.&Le&résultat&sera&fourni&avec&&quatre&chiffres&significatifs.&
&
Exercice#2&:&Choix#multiples#
1)&Parmi&les&ensembles&suivants&(n,l,ml,ms),&lesquels&peuvent&décrire&un&électron&dans&un&atome&?&Donner&alors&le&symbole&(ns,&
np…)&de&l’OA&dans&laquelle&se&trouve&cet&électron.&&
&a)&(2,2,1,+1/2)&&&&&&&b)&(2,1,-1,+1/2)&&&&&&c)&(3,2,1,-1/2)&&&&&&d)&(4,0,-1,+1/2)&&&&&e)&(3,1,0,-1/2)&
2)&Indiquer&si&les&symboles&suivants&peuvent&caractériser&ou&non&une&orbitale&atomique&:&&
&a)&1p&b)&3f&c)&5g&d)&4s&e)&2d&
3)&Dénombrer&les&OA&de&type&ng.&Préciser&la&valeur&minimale&de&n&pour&laquelle&elles&apparaissent&et&le&nombre&d’électrons&que&
la&sous-couche&peut&contenir.&
4)&Parmi&les&valeurs&suivantes,&indiquer&la(les)&série(s)&des&quatre&nombres&quantiques&définissant&un&électron&d’une&OA&5d&
a.&n&=&5&&&ℓ&=&2&&&&&&mℓ&=&-&1&&&&ms&=&½.&&&&&&&&&&&&&&&&b.&n&=&5&&&&&&&&ℓ&=&2&& mℓ&=&-&5&&&&&&ms&=&-½.& c.&n&=&5&&&&&&&ℓ&=&4&& mℓ&=&&&0&&&&&ms&=&-½.&
d.&n&=&5&&&ℓ&=&2&&&&&&mℓ&=&&&0&& ms&=&½.&& & e.&n&=&5&&&&&&&ℓ&=&2&& mℓ&=&&&2&&&&&&ms&=&½.&&
5)#Quelle(s)&est&(sont)&la&(les)&réponse(s)&correcte(s)&?&
a.&Dans&une&sous-couche&d,&il&y&a&en&tout&trois&orbitales&atomiques.&
b.&Une&sous-couche&f&contient&au&maximum&neuf&électrons.&
c.&Un&électron&peut&être&caractérisé&par&quatre&nombres&quantiques&identiques.&
d.&La&troisième&couche&peut&contenir&au&maximum&18&électrons.&
6)&Quelle(s)&est&(sont)&la&(les)&réponse(s)&correcte(s)&?&
a.&La&configuration&électronique&de&l’atome&d’azote,&7N,&présente&trois&électrons&non-appariés.&
b.&L’ion&oxyde&8O2-&possède&la&même&configuration&électronique&que&l’ion&fluorure&9F-.&
c.&La&configuration&électronique&de&l’ion&12Mg2+&est&1s22s22p63s2.&
d.&La&configuration&électronique&de&l’ion&22Ti4+&présente&deux&électrons&célibataires.&

Chimie&Chapitre&2&–&Atomistique& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&PCSI3&
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2&
Exercice#3&:&Configurations#électroniques&
Ecrire&les&configurations&électroniques&des&états&fondamentaux&pour&:&
1)&Les&atomes&suivants&:&5B& 9F& 11Na&14Si&22Ti&29Cu&(attention&exception)&
Préciser& les& électrons&de& cœur& et& de& valence,& le& remplissage& des& OA& pour& les& électrons& de& valence& et& le& caractère&
paramagnétique&ou&diamagnétique&de&l’atome.&
2)&Les&ions&Cu+&et&Cu2+&n’ont&pas&les&mêmes&propriétés&magnétiques.&Justifier.&
#
Exercice#4&:&Configurations#électroniques#de#l’atome#de#nickel&
Le# nickel# est# un# métal# blanc.#Grâce# à# sa# résistance# à# l’oxydation# et# à# la# corrosion,# il# est# utilisé# dans# les# pièces# de# monnaie#
(couronne# de# la# pièce# de# 2€# ou# centre# de# la# pièce# de# 1€)# et# dans# certains# alliages.# Le# nickel# est# le# plus# allergisant#de# tous# les#
métaux.#Plus#de#12#%#de#la#population#y#est#allergique.#La#réaction#la#plus#fréquente#est#la#dermatite#de#contact#provoquées#par#
un#bracelet#de#montre,#des#bijoux#fantaisie,#des#accessoires#vestimentaires…#
On&propose&différentes&configurations&électroniques&pour&l’atome&de&Nickel&(Z=28)&:&
a)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d10&4s0&
b)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p8&3d6&4s2&
c)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d8&4s2&
d)&1s2&2s2&2p6&3s2&3p6&3d6&4s2&4p2&
Parmi&ces&configurations&:&&
1) Laquelle&est&impossible&et&pourquoi&?&
2) Quelle&est&celle&qui&représente&l’atome&de&Nickel&à&l’état&fondamental&?&Préciser&le&nombre&d’électrons&célibataires.&
3) Quelle&est&celle&qui&ne&comporte&aucun&électron&célibataire&?&
4) Classer,&par&ordre&d’énergie&croissante,&les&différentes&configurations.&On#précise#que#:#E4p#-#E3d#>#E4s#-#E3d#.&
&
Exercice#5&:#Spectres#
Partie#1#:#Quantification#de#l’énergie#et#spectre#électromagnétique#
Dans& un& atome,& deux& niveaux& énergétiques& électroniques& sont& typiquement& séparés& d’une& dizaine& d’eV.& En& déduire& à& quelle&
partie& du& spectre& électromagnétique& appartient& un& rayonnement& absorbé& (ou& émis)& par& un& atome& lors& d’une& transition&
électronique.&
&
Partie#2#:#Spectre#d’émission#de#l’atome#d’hydrogène#
Afin&d’étudier&le&spectre&d’émission&de&l’atome&d’hydrogène,&on&génère&dans&une&ampoule&(à&l’aide&d’une&décharge&électrique)&
des&atomes&d’hydrogène&excités&:&l’électron&de&chacun&des&atomes&ne&se&trouve&plus&au&niveau&de&plus&basse&énergie&(n=1).&Les&
électrons&vont&perdre&peu&à&peu&cette&énergie&afin&de&revenir&vers&d’état&fondamental.&La&lumière&émise&par&l’ampoule&lors&de&
cette&désexcitation&est&décomposée&à&l’aide&d’un&réseau.&On&observe&alors&le&spectre&d’émission&de&l’atome&d’hydrogène.&
& & &
Obtention#(à#gauche)#du#spectre#d’émission#de#l’atome#d’hydrogène#(à#droite)#
On&rappelle&que&les&niveaux&d’énergie&des&orbitales&atomiques&de&l’atome&d’hydrogène&ne&dépendent&que&du&nombre&quantique&
principal&n&par&la&relation,&exprimée&en&eV&:
En= -13,6
n2
.&
1) Placer&sur&le&spectre&les&limites&du&rayonnement& visible.&Nommer& les&domaines&situés&de&part&et&d’autre&du&domaine&
visible.&
2) Soit&un&atome&d’hydrogène&dont&l’électron&passe&de&la&couche&n&=&3&à&la&couche&n&=&2.&
a) Faire& un& schéma& expliquant& le& phénomène& (en& positionnant& les& niveaux& de& départ& et& d’arrivée& sur& un& axe&
énergétique).&
b) Quelle&est&la&longueur&d’onde&de&la&lumière&émise&?&On&vérifiera&sur&le&spectre&la&pertinence&de&la&réponse.&&

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3&
Le& spectre& d’émission& de& l’atome& d’hydrogène& peut& être& décomposé& en& séries.& Chaque& série& est& constituée& par& les& raies&
d’émission& correspondant& aux& différentes& désexcitations& possibles& vers& un& niveau& d’énergie& donné.& Elle& porte& le& nom& du&
scientifique&qui&l’a&étudiée&:&&
§ Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n&=&i>1&vers&la&couche&n=1&constituent&la&série&de&Lyman&
§ Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n&=&i>2&vers&la&couche&n=2&constituent&la&série&de&Balmer&
§ Le&rayonnement&émis&par&désexcitation&d’une&couche&n&=&i>3&vers&la&couche&n=3&constituent&la&série&de&Paschen&
3) On&appelle&série&de&Balmer&la&série&de&raies&correspondant&aux&désexcitations&possibles&vers&le&niveau&n=2.&Cette&série&
fut&la&première&des&séries&d’émission&de&l’hydrogène&découverte&en&1885.&Pourquoi&?&&&
4) Quelles&sont&les&raies&de&cette&série&qui&appartiennent&au&domaine&visible&?&Déterminer&leur&longueur&d’onde&dans&le&
vide.&
5) Dans&une&série,&la&raie&d’émission&ayant& la&plus&petite&longueur&d’onde&dans&le&vide&est& appelée&raie&limite.&A&quelle&
désexcitation&correspond-elle&dans&la&série&de&Balmer&?&Déterminer&sa& longueur&d’onde&dans&le&vide.&A&quel&domaine&
des&ondes&électromagnétiques&appartient-elle&?&&
#
Partie#3#:#L’hélium#
L’ion& hélium& (He+)& présente& un& spectre& d’émission& discontinu& constitué& de& séries& de& raies& correspondant& à& la& transition& entre&
deux&niveaux&d’énergie&E(n=j)&et&E(n=i)&avec&j>i.&Pour&les&ions&de&ce&type&(appelés&hydrogénoïdes&:&constitués&d’un&noyau&et&d’un&seul&
électron)&l’énergie&d’un&électron&de&nombre&quantique&principal&n&est&donnée&par&la&relation&:&&
78" 9 7:;
<.&
1) Sur& un& diagramme& d’énergie,& représenter& les& premiers& niveaux& d’énergie& de& l’ion& hélium&(He+).& Les& énergies& seront&
exprimées&en&fonction&de&EHe.&
2) Sachant&que&la&désexcitation&du&niveau&n=2&au&niveau&n=1&s’accompagne&pour&cet&ion&de&l’émission&d’une&radiation&de&
longueur&d’onde&λ&=&30,378&nm,&donner&la&valeur&de&EHe&en&J&et&en&eV.&&
3) Comparer&la& valeur& de&EHe&à& celle&correspondant& à&l’atome& d’hydrogène&:& 13,6& eV.& En&déduire& s’il& sera& plus&ou&moins&
difficile&d’arracher&l’électron&de&l’atome&d’hydrogène&ou&de&l’ion&hélium&He+.&
On#donne#:#c#=#3,00.108#m.s-1#;#h#=#6,62.10-34#J.s#;#1#eV#=#1,6.10-19J.&
#
#
Exercice#6#:#Spectroscopie#de#photoélectron#(exercice#documentaire)##
La&spectroscopie&de& photoélectron&est&une&méthode&permettant&d’accéder&aux&énergies&des&niveaux&électroniques&
d’un&atome&(ou&d’une&molécule)&en&envoyant&un&rayonnement&sur&un&échantillon.&
On&distingue&deux&types&de&spectroscopie&de&photoélectron&:&&
§ XPS&(«&X-ray&photoélectron&spectroscopy&»),&qui&utilise&des&photons&d’énergie&200&à&2000&eV&pour&examiner&les&électrons&de&
cœur.&
§ UPS&(«&ultraviolet&photoélectron&spectroscopy&»),&qui&utilise&des&photons&d’énergie&10&à&45&eV&pour&examiner&les&électrons&de&
valence.&
Principe&:& Un& photon,& d’énergie& Ephoton&=& hν,& est& projeté& sur& l’échantillon.& L’échantillon& absorbe& ce& photon& et& un& électron& est&
expulsé&avec&une&énergie&cinétique&Ec&=&(1/2)mv2.&&&
La& conservation& de& l’énergie& impose&:& Ephoton&=& Eliaison+Ec&où& Eliaison&est& l’énergie& nécessaire& à& l’électron& pour& sortir& de& l’orbitale&
atomique&dans&laquelle&il&se&trouve.&&
Un& appareil& permet& de& mesurer& l’énergie& cinétique& des& électrons& expulsés,& et& on& peut& ainsi& déterminer& Eliaison,& c’est& à& dire&
l’énergie&des&orbitales&de&départ&des&électrons&expulsés.&
& &
#
Energie
0Electron libéré de l'atome
-Eliaison Electron dans une OA (de coeur pour la XPS)
Photon d'énergie hν
Electron éjecté avec une
vitesse énergie cinétique Ec
Eliaison

Chimie&Chapitre&2&–&Atomistique& & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&PCSI3&
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4&
Résultats#:##
1. En& réalisant& le& spectre& XPS& de& l’oxygène,& avec& un& rayonnement& incident& d’énergie& Ephtoton&=& 1,5& keV,& on& obtient& des&
électrons&dont&l’énergie&cinétique&en&sortie&vaut&975&eV.&&&
2. Voici&le&spectre&XPS&de&l’oxyde&de&magnésium&MgO.&L’ordonnée&correspond&à&l’intensité&des&pics&(que&l’on&ne&cherchera&
pas&à&interpréter)&et&l’abscisse&à&Eliaison.&Seuls&les&pics&marqués&d’une&*&sont&à&prendre&en&compte.&&
&
Question#:#Déterminer#l’énergie#des#OA#de#cœur#de#l’oxygène#et#du#magnésium.#
&
A&RENDRE&
Exercice#7&:#Autour#de#l’étain&
L’étain&Sn&a&pour&numéro&atomique&Z&=&50.&
1) Ecrire&sa&configuration&électronique&dans&l’état&fondamental.&Préciser&ses&électrons&de&valence&et&de&cœur.&&
2) Représenter&le&remplissage&des&OA&de&valence.&Indiquer&si&l’étain&est&diamagnétique&ou&paramagnétique.&
3) Citer&un&élément&chimique&très&répandu&qui&possède&la&même&configuration&électronique&de&valence.&
4) Proposer&une&configuration&électronique&d’un&état&excité&de&l’étain.&
5) Préciser&le(s)&quadruplet(s)&de&nombres&quantiques&qui&peu(ven)t&représenter&un&électron&d’une&orbitale&3p.&
6) L’étain& conduit& aux& ions& stanneux& Sn2+&et& stannique& Sn4+.& Ecrire& chaque& configuration& électronique& et& justifier& leur&
relative&stabilité.&
7) Le& spectre& d’émission& de& l’étain&présente& une& raie& à& 460,7& nm.& Expliquer& le& phénomène& et& calculer& la& différence&
d’énergie&entre&les&deux&OA&mises&en&jeu&en&eV.&
&
Données#:#c#=#3,00.108#m.s-1#;#h#=#6,62.10-34#J.s#;#1#eV#=#1,6.10-19J.#
*&
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*&*&
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