3) Classification des éléments

Transcription

Lycée Denis-de-Rougemont
DF Chimie
Structure et classification des éléments chimiques
Corrigé des exercices
Energie d'ionisation et couches électroniques
1
a) Rechercher dans le "Handbook" ou le "Formulaire et Tables" les valeurs des énergies
d'ionisation, pour le premier électron arraché, des 11 premiers éléments du tableau
périodique.
b) Faites un graphe E = f(Z).
Réponse :
Elément
Nom
Energie de la première
ionisation (eV)
H
He
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
Na
Hydrogène
Hélium
Lithium
Béryllium
Bore
Carbone
Azote
Oxygène
Fluor
Néon
Sodium
13,598
24,587
5,392
9,322
8,298
11,260
14,534
13,618
17,422
21,564
5,139
Energie d'ionisation des 11 premiers éléments
30
Energie d'ionisation
(eV)
He
25
Ne
20
F
N
15
O
H
Be
10
C
B
5
Li
Na
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Numéro atomique Z
-1-
8
9
10
11
12
DF Chimie
2
Pourquoi l'énergie d'ionisation augmente-t-elle en passant de l'hydrogène à l'hélium ?
Réponse :
Parce que la configuration électronique de l'hélium est beaucoup plus stable que celle de
l'hydrogène. En effet, la couche K est complète pour He. Il est dès lors plus difficile
d'enlever un électron à une couche complète qu'à une couche à moitié remplie de
l'hydrogène.
3
a) Quelle hypothèse peut-on émettre pour expliquer la baisse de l'énergie d'ionisation en
passant de l'hélium au lithium ?
b) Quelles charges nucléaires effectives agissent sur les différents électrons du lithium ?
Réponses :
a) La baisse de l'énergie d'ionisation provient du fait que le troisième électron (le
dernier ajouté lors du remplissage) est sur une nouvelle couche électronique.
L'électron de la couche L est donc beaucoup plus facile à enlever.
b) Les répulsions et attractions sont montrées dans le dessin ci-dessous :
1
Electron
Noyau atomique
3
Forces d'attraction
Forces de répulsion
2
Les électrons n° 1 et 2 sont sur la couche K : ils voient directement le noyau
atomique, composé de 3 protons, donc la charge nucléaire effective est de +3.
L'électron n°3 est sur la couche L : il voit un cœur atomique composé de 3 protons
et de 2 électrons, donc une charge effective de +1.
4
A quoi peut-on attribuer l'augmentation plus ou moins régulière de l'énergie d'ionisation du
lithium au néon ?
Réponse :
Plus la couche est remplie, plus elle sera proche de la stabilité, c'est-à-dire le cas avec 8
électrons. Plus la couche est stable, et moins il sera facile d'enlever un électron (ce qui
-2-
DF Chimie
diminue la stabilité), d'où augmentation plus ou moins régulière de l'énergie d'ionisation.
Les fluctuations intermédiaires s'expliquent par l'apparition des paires électroniques,
favorisant un peu la stabilité. Mais en règle générale, il y a augmentation lorsqu'on passe
des colonnes de gauche du tableau périodique aux colonnes de droite en restant sur la
même ligne (même période).
5
Comment expliquer la nouvelle chute observée avec le sodium ?
Réponse :
Lorsqu'on passe du néon au sodium, l'électron supplémentaire est placé dans la couche
M (la 3e couche). Les couches K et L sont stables car possèdent respectivement 2 et 8
électrons, mais la couche M est beaucoup moins stable avec un seul électron : il est très
facile à arracher.
6
Examiner le graphe ci-dessous et expliquer ce qu'il prouve.
Réponse :
Les énergies d’ionisation successives montrent qu'il est facile d'enlever le premier
électron, puis la difficulté va croissante au fur et à mesure qu'on vide une couche (pour la
simple raison que la charge de l'atome devient de plus en plus positive).
Puis, chaque fois qu'une couche est vidée, on doit arracher des électrons d'une couche
plus proche du noyau, donc avec des forces d'attraction dues aux protons plus grandes,
ce qui explique chaque saut brutal sur le graphe.
-3-
DF Chimie
En fait, le graphe nous montre qu'il y a un électron sur une couche (la couche N), puis
8 électrons sur une couche plus proche du noyau atomique (la couche M), encore
8 électrons sur une couche toujours plus proche du noyau (la couche L) et finalement
2 électrons sur la couche la plus proche du noyau (la couche K).
Structure électronique du potassium : K2L8M8N1.
Le nuage électronique des atomes
7
Quels sont les éléments dont la structure électronique est
a) K2L8M3
b) K2L8M8N1
Réponses :
a) Aluminium (Al)
b) Potassium (K)
8
Combien d'électrons la couche N peut-elle contenir ?
Réponse :
La couche N est la 4e couche, donc peut contenir 2n2 = 2.42 électrons, soit un total de 32
électrons.
9
a) Quelle est la structure électronique de l'oxygène ?
b) Quels sont les électrons attirés le plus fortement par le noyau ? Ceux de la couche K ou
ceux de la couche L ?
Réponses :
a) K2L6.
b) Les électrons de la couche K, car ils sont plus proches du noyau positif.
10
a) Quelle est la composition du cœur d'un atome de calcium 40 ?
b) Combien d'électrons de valence le calcium possède-t-il ?
Réponses :
a) 20 protons, 20 neutrons et 18 électrons (les couches K2L8M8).
b) 2 électrons (dans la couche N).
-4-
DF Chimie
11
Quelle est la charge du cœur d'un atome de soufre ?
Réponse :
La charge du cœur d'un atome de soufre est +6 e (ou 9,6132.10-19 C).
12
En s'aidant du tableau périodique, dessiner avec le modèle de Bohr les atomes suivants :
Be, B, C, O, F. Indiquer pour chaque atome le nombre de protons et de neutrons.
Réponses :
Be
B
C
O
F
4 protons
5 neutrons
5 protons
6 neutrons
6 protons
6 neutrons
8 protons
8 neutrons
9 protons
10 neutrons
13
De quoi dépendent les propriétés chimiques d'un élément ?
Réponse : Elles dépendent du nombre d'électrons de la dernière couche.
14
Donner la structure électronique des atomes dont les numéros atomiques valent
respectivement :
a) Z = 9
b) Z = 17
Que peut-on dire des propriétés chimiques de ces éléments ?
Réponses :
a) K2L7. Il s'agit du fluor.
b) K2L8M7. Il s'agit du chlore.
Ces deux atomes ont le même nombre d'électrons dans leur dernière couche, donc
possèdent des propriétés chimiques semblables.
15
Un atome est formé de 11 protons, 12 neutrons et 11 électrons.
a) Quelle est sa structure électronique ?
b) Indiquer la structure électronique de deux atomes ayant les mêmes
propriétés chimiques que l'atome ci-dessus.
-5-
DF Chimie
Réponses :
a) K2L8M1 (le sodium Na).
b) Par exemple : K2L1 (le lithium Li) et K2L8M8N1 (le potassium K).
16
a) Selon quel ordre croissant les éléments sont-ils placés dans la classification
périodique ?
b) Quelle est la caractéristique commune aux éléments d'une même famille de la
classification ?
Réponses :
a) Selon l'ordre croissant du nombre de protons dans le noyau dans une même ligne
et selon les couches électroniques d'une ligne à l'autre.
b) La caractéristique commune est d'avoir le même nombre d'électrons dans leur
dernière couche.
17
Un élément occupe la 5e colonne et la 3e période de la classification périodique. Donner
sa structure électronique à l'aide de la notation K, L,…
Réponse :
Il s'agit du phosphore P. Structure électronique : K2L8M5.
18
En s'aidant du tableau périodique, dessiner la dernière couche des atomes suivants : Na,
Al, Ar, Br, Pb.
Réponses :
Na
Ar
Al
Br
Pb
19
Ecrire le remplissage électronique des éléments suivants :
a) B
b) Kr
c) Sc
d) Cu
e) Al
f) Ne
g) Mn
h) U
Réponses :
a) K2L3
b) K2L8M18N8
c) K2L8M9N2
d) K2L8M18N1
e) K2L8M3
f) K2L8
g) K2L8M13N2
h) K2L8M18N32O21P9Q2
-6-
DF Chimie
Couches électroniques stables et règle des gaz rares
20
Le cœur des atomes des groupes principaux est-il modifié au cours d'une réaction
chimique ?
Réponse :
Non, le cœur des atomes des groupes principaux n'est jamais modifié au cours d'une
réaction chimique.
21
Quand la couche K est-elle stable ? Et la couche N ?
Réponses :
La couche K est stable avec 2 électrons.
La couche N est stable avec 8, 18 et 32 électrons.
22
Quelle est la particularité des couches électroniques des gaz rares ?
Réponse :
Les couches électroniques des gaz rares sont toutes stables. De plus, la dernière couche
possède 8 électrons.
23
Comment les atomes métalliques atteignent-ils l'état stable ?
Réponse :
Les atomes métalliques atteignent l'état stable en se débarrassant des électrons de leur
dernière couche.
24
Comment les atomes ci-dessous atteignent-ils l'état stable ? Représenter chaque
phénomène à l'aide d'une équation.
a) Mg
b) Al
c) Cl
d) S
e) Ar
Réponses :
a) Structure électronique de Mg : K2L8M2. Il doit donc perdre 2 électrons pour avoir la
structure stable K2L8 :
Mg
Mg2+ + 2 e–
-7-
DF Chimie
b) Structure électronique de Al : K2L8M3. Il doit donc perdre 3 électrons pour avoir la
structure stable K2L8 :
Al3+ + 3 e–
Al
c) Structure électronique de Cl : K2L8M7. Il doit donc gagner 1 électron pour avoir la
structure stable K2L8M8 :
Cl + 1 e–
Cl–
d) Structure électronique de S : K2L8M6. Il doit donc gagner 2 électrons pour avoir la
structure stable K2L8M8 :
S + 2 e–
S2-
e) Structure électronique de Ar : K2L8M8. La structure est déjà stable, donc il n'y a pas
de réaction.
25
Qu'est-ce qu'un cation ? Et un anion ?
Réponses :
Ø Un cation est un atome chargé positivement.
Ø Un anion est un atome chargé négativement.
26
Dans chacun des cas ci-dessous, choisir "l'espèce chimique" :
a) chimiquement stable.
b) la plus petite.
Cas 1 :
Cas 2 :
Ba
I
Ba+
I-
Ba2+
I2-
Réponses :
a) L'espèce chimiquement stable est pour le cas 1 : Ba2+ ; et pour le cas 2 : I–.
b) L'espèce la plus petite est pour le cas 1 : Ba2+ ; et pour le cas 2 : I.
Connaissance du tableau périodique
27
Avec l'aide du tableau périodique, citer 3 alcalins, 2 carbonides et 3 halogènes.
Réponses :
Par exemple :
- Alcalins : lithium (Li), sodium (Na), potassium (K).
- Carbonides : carbone (C), silicium (Si).
- Halogènes : fluor (F), chlore (Cl), brome (Br).
-8-
DF Chimie
28
Quel est l'élément faisant partie de la période 4 et de la famille Va ?
Réponse : C’est l'élément 33, l’arsenic (As) (Renseignement provenant du Formulaire CRMPC).
29
Citer des éléments chimiques entrant dans la fabrication d'ampoules et de tubes
d'éclairage.
Réponses :
Les ampoules en tube dites "Néon" (qui devraient en fait être appelées lampes
fluorescentes) contiennent un mélange d'argon et de vapeur de mercure à basse pression
et pas forcément de néon comme le langage populaire le laisserait croire.
Les ampoules dites "halogènes" contiennent du chlore (Cl) ou un mélange chlore (Cl) –
brome (Br).
Les ampoules "normales" possèdent un filament en tungstène (W).
30
Compléter le tableau suivant : (les réponses sont en italique gras)
Nom de
l'élément
Symbole
N° de la
période
N° de la famille
Nom de la
famille
Phosphore
P
3
VA
Azotides
Brome
Br
4
VII A
Halogènes
Magnésium
Mg
3
II A
Alcalino-terreux
Chlore
Cl
3
VII A
Halogènes
Azote
N
2
VA
Azotides
Etain
Sn
5
IV A
Carbonides
(Renseignements provenant du tableau périodique du Formulaire CRM).
Les métaux
31
Quels sont les métaux dans la liste ci-dessous :
Carbone ; calcium ; phosphore ; nickel ; soufre ; F ; Fe ; W
Réponse :
Les métaux sont le calcium, le nickel, le Fe (fer) et le W (tungstène).
-9-
DF Chimie
32
a) Citer trois métaux nobles.
b) Citer troix métaux non-nobles.
Réponses :
Par exemple :
a) Platine (Pt), or (Au) et argent (Ag).
b) Fer (Fe), zinc (Zn), potassium (K).
33
a) Citer deux métaux fusibles.
b) Citer deux métaux réfractaires.
Réponses :
a) Les métaux fusibles sont ceux qu'on peut fondre facilement, donc avec un point de
fusion bas. Exemples :
- Etain (Sn), PF = 231.91 °C (505.06 K).
- Zinc (Zn), PF = 419.58 °C (692.73 K).
b) Les métaux réfractaires sont ceux qui ont un très haut point de fusion et qui sont utilisés
comme creuset pour fondre les métaux fusibles. Exemples :
- Tungstène (W), PF = 3407 °C (3680 K).
- Rhénium (Re), PF = 3180 °C (3453 K).
34
Compléter : (les réponses sont en caractères gras)
a) Le plomb est un métal plus dense que l'aluminium.
b) L'acier est plus dur que le plomb.
c) Le plomb a une température de fusion plus basse que le tungstène.
d) La maladie due au plomb s'appelle le saturnisme.
35
a) Comment appelle-t-on un corps composé d'atomes d'or et de cuivre ?
b) L'or 18 carats est-il de l'or pur ?
Réponses :
a) Il s'agit d'un alliage.
b) Non, l'or pur est à 24 carats.
36
a) Quels sont les métaux employés dans la construction aéronautique ?
b) Quels sont les métaux employés dans les fusibles ?
c) Quel est le métal employé comme filament dans les ampoules électriques ?
- 10 -
DF Chimie
Réponses :
a) Des métaux léger tel que l'aluminium ou des alliages à base d'aluminium. Les
nouveaux matériaux utilisés en aéronautique au 21e siècle ne seront probablement
plus des métaux, mais des composés comme les fibres de carbone.
b) Des métaux à bas point de fusion comme le zinc. Lorsqu'on courant traverse un
métal, il le chauffe. Un court-circuit va chauffer très rapidement le fil dans le fusible
qui va fondre, interrompant le passage du courant.
c) Des métaux réfractaires. Ils doivent pouvoir chauffer à très haute température, ce
qui déclenche une émission de lumière, mais ne doivent pas fondre, sinon le
courant électrique est interrompu.
37
La corrosion du fer se fait-elle dans toute la masse du métal ?
Et celle de l'aluminium ?
Réponse :
La corrosion du fer se fait dans toute la masse du métal, car l'oxydation fragilise le métal
et crée des micro-fissures permettant l'apport d'oxygène à l'intérieur du métal. Par contre,
l'aluminium se couvre d'une fine couche d'oxyde d'aluminium solide qui reste à la surface
du métal et empêche le contact ultérieur avec l'oxygène.
38
Dans le passé, on a observé sur les tuyaux d'orgue de certaines églises, la formation
d'excroissances grotesques. Ce phénomène, appelé peste de l'étain, a tout d'abord été
attribué au démon. Quelle est sa véritable cause ?
Réponse :
L'étain se présente sous plusieurs formes cristallines (agencement interne des atomes)
dont l'une, l'étain blanc ou étain β (qui possède un réseau cristallin comme le diamant) est
stable au-dessus de 13,2 °C et est nettement plus dense que l'étain gris ou étain α (qui
possède un autre réseau cristallin). Lors d'un refroidissement brutal, l'ébranlement de
réseau cristallin de l'étain β est si rapide que les objets dont il est formé tombent en
poussière. C'est ce phénomène qui est appelé peste de l'étain.
Il a été observé un certain nombre de fois au détriment d'objets d'art déposés dans des
musées de contrées sujettes à des hivers rudes. En hiver, la température dans certaines
églises descendaient en dessous de 13,2 °C et les tuyaux d'orgues en étain changeaient
lentement de forme cristalline, ce qui créait des excroissances dues à la différence de
densité entre étain β et étain α.
- 11 -
DF Chimie
Les non-métaux et les métalloïdes
39
Classer les éléments suivants en métaux, non-métaux et métalloïdes : néon, césium, iode,
calcium, antimoine, titane, silicium et molybdène.
Réponse :
Métaux
Métalloïdes
Non-métaux
Césium (Cs)
Calcium (Ca)
Titane (Ti)
Molybdène (Mo)
Silicium (Si)
Antimoine (Sb)
Néon (Ne)
iode (I)
40
Les corps simples suivants conduisent-ils le courant électrique ?
Cuivre, or, brome, phosphore, carbone et silicium.
Réponse :
Le cuivre et l'or sont des métaux, donc ils conduisent l'électricité.
Le brome et le phosphore, des non-métaux, ne conduisent pas le courant.
Le carbone et le silicium sont des semi-conducteurs, donc conduisent le courant électrique
seulement dans une direction précise de la matière.
41
Les corps simples ci-dessous sont-ils solides, liquides ou gazeux ? Calcium, chlore, iode,
argon, phosphore, mercure, brome et soufre.
Réponse :
Solides
Liquides
Gazeux
Calcium (Ca)
Iode (I)
Phosphore (P)
Soufre (S)
Mercure (Hg)
Brome (Br)
Chlore (Cl)
Argon (Ar)
42
Pourquoi le phosphore blanc est-il dangereux ?
Réponse :
Le phosphore blanc est un combustible qui s'enflamme spontanément en contact avec
l'oxygène, mais seulement s'il est absolument sec. En solution, il est passif et commence
à réagir lorsque tout le solvant est évaporé. Un feu de phosphore ne peut pas être éteint,
- 12 -
DF Chimie
ou seulement momentanément. En effet, l'eau arrête la combustion lorsqu'on arrose le
feu, mais celui-ce reprend inopinément chaque fois que l'eau s'est évaporée.
43
L'air est-il un corps simple ?
Réponse :
Non, car il s'agit d'un mélange composé de 80 % de N2 et de 20 % de O2.
44
Les gaz rares sont aussi appelés gaz nobles. Pourquoi ?
Réponse :
Parce que les gaz rares sont chimiquement inertes.
45
Sous quelles formes le carbone pur existe-t-il ?
Réponse :
Sous trois formes : le graphite, le diamant et les fullerènes. Le graphite est un des
composés les moins dures que l'on connaisse, tandis que le diamant est le plus dur. Les
fullerènes sont des composés synthétiques fabriqués par nanotechnologie.
46
Quel est le non-métal jaune qui brûle avec une flamme bleue ?
Réponse : Le soufre.
47
Citer une utilisation importante du chlore.
Réponse :
Le chlore sous forme diatomique Cl2 est utilisé pour les applications suivantes :
blanchiment de textile et de pâte à papier, eau de Javel (désinfection), traitement des
eaux (désinfection). D'autre part, on trouve du chlore dans les insecticides, herbicides,
germicides, fongicides.
48
Quels sont les non-métaux solides à température ambiante ?
Réponse :
Le bore, le carbone, le silicium, le phosphore, le soufre, l'arsenic, le sélénium, le tellure,
l'iode et l'astate.
- 13 -
DF Chimie
49
Dans quel domaine les éléments Si et Ge sont-ils importants ?
Réponse :
Ces deux éléments sont indispensable à la fabrication des microprocesseurs. Aux EtatsUnis, le silicium a d'ailleurs donné son nom à une vallée où beaucoup d'entreprises
d'électroniques se sont établies : Silicon Valley (la vallée du silicium), en Californie.
50
Comment peut-on augmenter la conductibilité électrique des métalloïdes ?
Réponse :
En les chauffant, ou en ajoutant des impuretés. Pour fabriquer les puces informatiques, on
introduit des atomes de germanium dans du silicium ultra-pur : on appelle cette opération
le dopage.
51
a) Pourquoi gonfle-t-on les ballons avec de l'hélium et non de l'argon ?
b) Pourquoi gonfle-t-on les ballons avec de l'hélium et non de l'hydrogène ?
Réponses :
a) Parce que l'argon est plus lourd que l'air.
b) L'hydrogène est certes plus léger que l'air, mais très dangereux car c'est un
excellent combustible. L'hélium, quant à lui, est chimiquement inerte, donc sans
danger.
- 14 -

3) Classification des éléments

Transcription

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