DS 1 - CPGE Brizeux

Durée : 2h
Date 24/09/2011
DS 1
Atomistique.
Consignes :
o Il s’agit, certes d’un devoir scientifique, mais les réponses doivent être justifiées.
Faites des phrases concises en vous appliquant sur l’orthographe
o Les copies illisibles ou mal présentées seront pénalisées.
o Si, au cours de l’épreuve, un candidat repère ce qui lui semble être une erreur
d’énoncé, il le signale sur sa copie et poursuit sa composition en expliquant les raisons
des initiatives qu’il est amené à prendre
Exercice 1 : le tungstène W
Le tungstène, de symbole chimique W, est un métal rare, dont la teneur dans l’écorce terrestre
est estimée à 1µg.g–1.
Il existe cependant des gisements dans lesquels la concentration en tungstène varie de 0,1 à
0,2 % en moyenne.
La métallurgie extractive a pour but de préparer en premier lieu un intermédiaire pur
(paratungstate d’ammonium, APT de formule (NH4)10(H2W12O42), 4H2O), qui conduit à
l’oxyde WO3. En second lieu, la réduction (métallurgie préparative) de cet oxyde conduit au
tungstène métallique.
On rappelle la valeur de la constante d’Avogadro : NA = 6,023.1023 mol–1.
Le tungstène a pour numéro atomique Z=74 ; son nombre de masse est A = 184.
1. Quelle est la composition de l’atome de tungstène ?
2. Donner le nom des nombres quantiques n, l, ml et ms.
3. Les sous-couches sont désignées par les lettres s, p, d et f. Quel nombre quantique
permet de déterminer la nature (s, p, d..) de la sous couche occupée. Indiquer
également les valeurs de ce nombre pour chaque type de sous couche.
4. Rappeler la règle de Klechkowski.
5. Celle-ci s’applique sans anomalie au tungstène ; écrire la configuration électronique du
tungstène dans son état fondamental. A quel groupe appartient-il ?
6. Quels sont les électrons de valence du tungstène ?
7. Le tableau suivant fournit les abondances isotopiques
Abondances isotopiques relatives
relatives de l’élément tungstène.
isotope
atomes (%)
8. Donner la définition d’un isotope.
180
W
0,13
9. Déterminer la masse molaire du tungstène.
182
W
26,3
183
W
14,3
184
W
30,67
186
W
28,6
Exercice 2 : utilisation de la classification périodique
Identifier chacun des éléments suivant soit par leur nom, soit par leur symbole. N’oubliez pas
de justifier.
H
Li
He
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
Zn Ga Ge As
Se
Br
Kr
K
Ca
Sc
Ti
V
Rb
Sr
Y
Zr
Cs
Ba Lu
Fr
Ra
Lr
Cr Mn Fe
Co
Ni
Cu
Nb Mo Tc
Ru Rh
Pd
Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Rf
Db
Sg
Bh
Hs
Mt
La
Ce
Pr
Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho
Ac Th
Pa
U
Np
Pu Am Cm Bk
Cf
Er Tm Yb
Es Fm Md No
Qui suis-je ?
1. Je suis l’alcalin le plus électronégatif ?
2. Mon nombre quantique principal de valence est 3 et j’ai 6 électrons de valence : qui
suis-je ? Suis-je paramagnétique ou diamagnétique ?
3. J’appartiens à la 4ème période et j’ai 6 électrons de valence : qui suis-je ? Quelle est ma
configuration électronique exacte. Je donne un ion M3+ : quelle est également sa
configuration ?
4. Je suis le métal du bloc p ayant 6 électrons de valence.
5. Parmi les espèces formant facilement des anions X-, je suis celui ayant la plus petite
énergie d’ionisation. A quelle famille d’éléments appartiens-je ?
Exercice 3 : étude d’une famille
1. Le numéro atomique du magnésium est Z=12. Indiquer sa configuration électronique dans
son état fondamental et en déduire sa position (numéros de ligne et de colonne) dans la
classification périodique. A quelle famille appartient-il ?
2. Le tableau ci-dessous regroupe les propriétés atomiques de quelques éléments. Il s'agit du
numéro atomique (Z), du rayon atomique (ratomique), des énergies de première et de deuxième
ionisation de l'atome (Eionisation1 et Eionisation2).
Rq : l’énergie de deuxième ionisation correspon à l’arrachage du 2ème électron, évidemment.
Z
Ratomique(pm)
Eionisation1(eV)
Eionisation2(eV)
Be
4
85
9,32
18,21
Mg
12
150
7,64
15,03
Ca
20
180
6,11
11,87
Sr
38
200
5,69
10,98
Ba
56
215
5,21
9,95
2.1. Justifier que les cinq éléments du tableau appartiennent à la même famille.
2.2. Quels sont les ions facilement formés par ces atomes. Justifier.
2.3. Donner la définition de l’énergie de première ionisation (rigoureuse). En comparant les
rayons atomiques, justifier l'évolution de l'énergie de première ionisation du béryllium (Be) au
baryum (Ba).
2.4. Justifier que, pour chaque atome, Eionisation2 > Eionisation 1.
2.5. Des cinq éléments présentés dans ce tableau, lequel est le meilleur réducteur ? Justifier.
En déduire lequel est le moins électronégatif.
2.6. L’énergie de 3ème ionisation des éléments de cette famille est très grande. Pourquoi ?
Données : Numéros atomiques : O : Z=8 ; C : Z=6
Exercice 4 : l’atome d’hydrogène
1. Le spectre d’émission de l’atome d’hydrogène est constitué de raies et non d’un continuum
lumineux. Pourquoi ?
2. L’énergie des niveaux électroniques dans l’atome d’hydrogène est donnée par la relation :
E = - 13,6/n² avec E en eV
2.1. A quel état de l’atome correspond le niveau n= 1 ? le niveau n→∞ ?
2.2 Représenter le diagramme énergétique de l’atome d’hydrogène. Faire au moins apparaître
les niveaux jusqu’à n = 4.
2.3 Que vaut l’énergie d’ionisation d’un atome d’hydrogène initialement dans son état
fondamental en kJ.mol-1 ?
2.4 Que vaut l’énergie du photon émis lors de la désexcitation du niveau n=5 vers le niveau
n= 2 ? Que vaut sa longueur d’onde ? A quel domaine du spectre électromagnétique
appartient cette radiation ?
Exercice 5 : révisions de cinétique de TS
D’après bac 2004 réunion
L'eau oxygénée est un antiseptique c'est à dire une substance qui, par oxydation, prévient
l'infection des tissus vivants en détruisant les micro-organismes. Elle contient des molécules
d'eau oxygénée, H2O2, qui sont capables d'oxyder les ions tartrate de formule chimique,
C4H4O62–. L'équation chimique modélisant la réaction chimique qui a lieu entre ces deux
entités chimiques est :
5 H2O2(aq) + 2 H3O+(aq) + C4H4O62–(aq) = 10 H2O( l ) + 4 CO2 (g)
1. Retracer le tableau d’avancement sur votre copie et compléter-le.
Equation
chimique
C4H4O62-(aq) +
5 H2O2(aq) +
Avancement
Etat initial
Etat
intermédiaire
0
2 H3O+(aq) =
10 H2O(l )
+ 4 CO2 (g)
Quantités de matière (en mol)
n1
n2
x
excès
excès
excès
excès
0
[H2O2] mol.L-1
2. Rappeler la définition de la vitesse volumique de réaction v. En quelle unité se
mesure-t-elle ?
3. Montrer que la vitesse
evolution de la concentration en eau oxygénée au cours
volumique peut se mettre
du temps
sous la forme :
1 d[H2O2]
7
v=–
.
5
dt
6
4. En utilisant l’expression
5
précédente de la vitesse et le
graphe suivant déterminer la
4
valeur de la vitesse à la date
3
t = 10 min.
2
1
0
0
10
20
30
40
temps (en min)
On considère une toute autre réaction : l’hydrolyse d’un ester (E). Cette réaction est dite
autocatalysée. Le catalyseur est le produit de cette réaction : l’acide carboxylique (A).
Ester + eau → acide carboxylique + alcool
Pour une réaction de ce type, la courbe représentant l’avancement en fonction du temps est de
x (µmol)
la forme suivante :
20
15
10
5
00
200
400
600
800
t (s)
1000
Courbe 2. Avancement en fonction du temps: x = f(t)
5. Comment varie (qualitativement) la vitesse de la réaction au cours du temps ?
Comment pourrait-on le justifier ?
50
[H2O2]