CHI110 Fascicule 2009-2010

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Université Joseph Fourier - DLST
UE CHI110
Structure de la matière
Travaux Dirigés
2009-2010
H 2He
Li Be B C N O F
10Ne
Na Mg Al Si P S Cl
18Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ge Br
36Kr
Mo Ag Sn I
54Xe
La W Au Pb 86Rn
Ac

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UJF - DLST - UE CHI110 - TD 2009/2010
Présentation de l’UE Page 1
Programme détaillé Page 3
Présentation du fascicule de Travaux Dirigés Page 9
Quelques données numériques Page 10
Sujets d’exercices I - Ecriture d’un résultat numérique et notion de chiffres significatifs Page 11
Sujets d’exercices II - Mise à niveau et révisions Page 14
Sujets d’exercices III - Cristallochimie Page 16
Sujets d’exercices IV - Structure de l’atome et Tableau périodique Page 36
Sujets d’exercices V - Edifices moléculaires et forces intermoléculaires - Gaz parfait Page 47
Figures Page 62
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Présentation de l’UE
Formes d’enseignement
Le programme de l’UE est globalement couvert par trois formes d’enseignement, qui forment un
tout cohérent ; on ne peut se dispenser ni des CM ni des TD ni des TP sans prendre des risques pour
la réussite à l’UE et pour la suite de la formation en chimie.
· CM en amphi : 12 séances de 1h30.
· TD en petit groupe : 21 séances de 1h30.
· TP en demi-groupe de TD : 4 séances de 4h.
Certains contenus seront abordés essentiellement pendant les séances de TD et TP (cristallochimie ;
modèle des gaz parfaits ; solutions aqueuses).
Résumé des objectifs
Savoir exploiter les connaissances de base sur :
· le modèle quantique et la donnée d’un état en termes d’orbitales atomiques (OA) pour la
description de l’atome,
· le modèle des OM (issues de CLOA) pour la description de la liaison chimique,
· le modèle du cristal parfait pour la description de l’état solide.
Dans une première approche simple de la description du comportement des électrons dans les
atomes, l’objectif premier est de savoir écrire correctement la configuration électronique d’un

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atome dans son état fondamental et la relier à la position de l’élément dans la classification
périodique.
Pour la molécule, maîtriser le modèle de Lewis pour dessiner une formule « à deux dimensions » et
savoir l’utiliser dans le cadre du modèle VSEPR pour prévoir la géométrie autour de chaque atome ;
pour les édifices diatomiques, savoir exploiter un diagramme d’énergie d’OM (indice de liaison).
Pour l’état solide, savoir distinguer les différents types de cristaux (ioniques, métalliques, covalents,
moléculaires, en relation avec la nature des forces assurant la cohésion des particules constitutives) ;
pour des structures cristallines simples, savoir mettre en relation quelques caractéristiques et
propriétés (maille, nombre de motifs par maille, coordinence, rayons des particules et dimensions de
la maille, masse volumique, compacité). L’ordre de grandeur des énergies mises en jeu dans la
formation des différents édifices, discuté dans l’étude des forces intermoléculaires, est à connaître.
Deux séances de TP viennent en appui des séances de formation théorique sur la cristallochimie et
consistent en l’utilisation de modèles (compacts et éclatés) et de représentations obtenues à l’aide de
logiciels informatiques.
Deux autres séances de TP permettent d’aborder l’état liquide. A leur issue, savoir :
· préparer des solutions par dissolution et dilution en réfléchissant à l’impact des techniques
utilisées sur les incertitudes des concentrations des solutions.
· réfléchir à la solubilité de composés à l’aide d’une technique de chromatographie sur papier
et utilisation de la loi de Beer-Lambert pour identifier des composés en solution.
Epreuves d’évaluation
La note obtenue à l’UE est calculée à partir de deux notes de contrôle continu, CC1 et CC2, et
d’une note d’examen final, EF.
· CC1 : note sur 20, somme de 4 notes de compte rendu de TP, chacune sur 5.
· CC2 : note sur 20, épreuve écrite en amphi, organisée à mi-parcours (vers Toussaint).
· EF : note sur 20, obtenue à l’épreuve écrite anonyme en amphi (début janvier).
Programme de révisions du CC2 : révisions de terminale (Partie II des TD) ; cristallochimie (TP et
Partie III des TD) ; atome d’hydrogène et hydrogénoïdes (CM et début de Partie IV des TD).
Coefficients : CC1 : 0,4 CC2 : 0,6 EF : 1.
Attention ! Les mêmes notes de contrôle continu sont utilisées dans le calcul de la note d’UE aux
deux sessions (session 1, de janvier, et session 2, de juin).

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Programme détaillé
Programme
Structure et organisation de l’état solide
* Systèmes cristallins et cohésion dans les
cristaux
Etat solide : état amorphe, état cristallin.
Modèle du cristal parfait.
Définitions élémentaires sur la structure
cristalline : réseau, maille, nœud et motif.
Systèmes cristallins. Nombre de motifs d’une
maille conventionnelle, coordinence, masse
volumique et compacité.
* Empilements compacts de sphères
identiques, interstices et sites
Arrangements {AB} hexagonal compact et
{ABC} cubique à faces centrées.
Sites tétraédriques et octaédriques dans
l’assemblage cubique à faces centrées.
* Les principaux types de cristaux
Commentaires
Ce paragraphe est une introduction. On
présente la structure cristalline comme un cas
particulier limite de l’état solide.
Les réseaux de Bravais ne sont pas des
connaissances exigibles.
Ces notions sont introduites avec le
minimum de formalisme et illustrées au
travers des exemples qui suivent.
Pour le système hexagonal, on étudie la
maille décrite par un prisme droit à base
losange.
Le calcul des dimensions des sites n’est
exigible que dans la structure cubique à faces
centrées.
La classification entre cristaux métalliques,
ioniques, covalents et moléculaires est reliée
brièvement à la nature de la liaison chimique
et à quelques propriétés physiques des
solides correspondants, sans qu’aucune étude
systématique ne soit effectuée à ce sujet.

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* Les cristaux métalliques
Cristaux compacts (structures cubique
compacte et hexagonale compacte) et non
compacts (structure cubique centrée)
Notion de variétés allotropiques.
* Les cristaux ioniques
Description de 2 types de structures dérivées
des systèmes cubiques : les types CsCl et
NaCl.
Définition de la coordinence de l’anion (par
rapport au cation) et de la coordinence du
cation (par rapport à l’anion).
Relations entre le type structural, la
coordinence et les rayons ioniques dans le
cas des composés de stoechiométrie 1-1.
* Les cristaux covalents
Type diamant. Le graphite.
* Les cristaux moléculaires
La glace (type diamant). La carboglace. Le
diiode cristallisé.
On peut décrire une structure ionique de la
manière suivante : les cations viennent
occuper des sites intersticiels du réseau
cubique, les anions occupant les nœuds, ou
réciproquement.
La stabilité s’interprète en admettant que les
anions sont tangents aux cations et que les
ions ne s’interpénètrent pas.
L’atome
Constituants : électron ; noyau : neutron,
proton ; Nombres de masse et de charge ;
Nucléide, élément, isotope ; Masse atomique
relative
Ce paragraphe constitue un rappel de
connaissances acquises.