100 TD d'Atomistique (avec solutions)

Exercices d’atomistiques (DEUG 1ère année)
Voir aussi « TD Acide-Base (avec corrigés) »
12 séances d’1h30 (S1 à S12)
Prof. Jean-Christophe Valmalette

COMMENT TRAVAILLER ?

Vous trouverez ci-dessous une centaine d’exercices regroupés suivant les différents chapitres du cours. Ces exercices s’adressent bien évidemment aux étudiants qui auront étudié leur cours au préalable. Ils doivent vous permettre premièrement de vérifier que celui-ci est bien acquis (rappel des notions indispensables en début de chapitre & exercices notés « COURS ») et deuxièmement de faciliter la compréhension de certaines notions au moyen d’exercices plus ou moins délicats, dont plusieurs sont issus d’examens des années antérieures. Enfin, pour vous aider dans vos révisions, vous trouverez également des questions supplémentaires (en italique) très similaires aux exercices précédents.
Nous vous mettons en garde : l’atomistique est une discipline non triviale qui ne peut reposer sur la seule mémorisation du cours. Elle fait appel à de nouvelles notions difficiles à acquérir et à maîtriser, qui reposent, pour l’essentiel, sur ces théories du début du XXe siècle qui ont bouleversé toutes les disciplines de la physique à la biologie. Nous vous souhaitons bon voyage dans cette exploration de l’infiniment petit qui vous permettra de mieux comprendre le monde visible qui vous entoure. JCV

NB : Le nombre d’exercices (près d’une centaine) peut vous surprendre, mais beaucoup d’entre eux sont très courts ou bien redondants et enfin, si vous les travaillez en moyenne 2h par semaine d’ici la session de janvier, cela revient à consacrer en moyenne une vingtaine de minutes à chacun !

Notation [S1] signifie, exercice corrigé durant la première séance … etc
Révisions

1. Parmi les échantillons suivants, quel est celui qui contient le plus grand nombre d'atomes : 1 g d'argent (Ag) ; 1 g de néon (Ne); 1 g d'ammoniac (NH3) ; 1 g d'octane (C8H18).

2. Parmi les échantillons suivants, quel est celui qui contient la plus grande masse de chlore : 10 g de Cl2 ; 10,1 g de NaCl ; 50 g de KClO3 ; 0,1 mole de Cl2.

3. Une mole d’un composé contient 6,02.1023 atomes d'hydrogène, 35,5 g de chlore et 64,0 g d'oxygène. Quelle est sa formule : HClO2 , HClO, HClO3 ,H(ClO)2 ou HClO4 ?

4. Quelle quantité de matière, exprimée en moles, représentent les échantillons suivants : 11,2 g de fer (Fe) ? 1,6.10-3 g de soufre (S) ? 10 g de sucre (C12H22O11) ? 1,5.102 kg de chaux (CaO) ? 0,8 L de Cl2 gazeux (0°C, 1 atm) ? 0,02 L de CCl4 liquide (r = 1,595 g.mL-1) ?

5. Calculer la masse d’un mètre cube d’air à la pression atmosphérique en faisant l’approximation du gaz parfait (on prendra comme composition azote : 78 % - oxygène 21% et argon 1 %)

6. Combien y-a-t-il d'atomes dans :1 g de fer, 1 mL de fer (solide), 1 mL de dibrome (liquide), 1 mL de krypton (0°C, 1bar) (on donne : rFe (masse volumique) = 7,86 g.cm-3 ; rBr2 = 3,12 g.cm-3) ?

7. Donner la constitution des noyaux des éléments suivants et nommer ces éléments :Na, S, Br, Bi,U

8. Indiquez le nombre de protons, neutrons et électrons pour chaque nucléide :Sc, X, Tc, Fe, Cl-, Mg2+

9. Proposer dans chacun des cas suivants, deux atomes qui possèdent : le même numéro atomique mais qui diffèrent par leur nombre de neutrons - le même nombre de nucléons mais des numéros atomiques différents - le même nombre de neutrons mais des numéros atomiques différents -le même nombre de protons et le même nombre de neutrons mais qui diffèrent par leur nombre d’électrons


Chapitre 1 : Les constituants élémentaires de l’atome

1. Définitions et notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Atome | Electron | Proton | Neutron | Nucléon | ,Isotope | Composé | Elément Chimique | Molécule | Nombre d’Avogadro | Densité | Masse Volumique | Mole | Volume Molaire | Effet Photoélectrique | Photon | Longueur d’Onde | Relation de de Broglie | Dualité Onde-Corpuscule | Electron-Volt (eV) | Masse Atomique | Expérience de Rutherford , Nombre de Masse | Numéro Atomique | Quanta | Rayons Cathodiques| Faisceau Monocinétique |


2. [S1] Quelle est la masse en gramme(s) d'un atome de fer ? Correspond-elle à la masse des électrons plus la masse des nucléons ? En déduire l'énergie de liaison par nucléon.

3. Quelle serait la masse d’une tête d’épingle virtuelle (d’un 1 mm de diamètre) qui ne serait constituée que de matière ? Quelle est l’origine de l’existence du vide qui la compose et dont elle est essentiellement constituée ?

4. [S1] Détermination du nombre d’Avogadro : Rhutherford et Boltwood en 1911 ont montré qu’une préparation de radium de 1 g libérait 27,8.10-3 mg d’hélium en 1 an ce qui correspond à l’émission de 13,8.1010 particules a par seconde (He2+). En déduire : la masse d’un atome d’hélium, l’équivalent en grammes de l’unité de masse atomique, le nombre d’Avogadro.

5. COURS Qu’est-ce qu’un nombre d’onde ? un cm-1 ? un m-1 ? Quelle relation existe t-il entre le mètre-1 et le centimètre-1 ? Donner l’équivalent en J, eV, de l’énergie associée à un photon de nombre d’onde 3850 cm-1. Que vaut la longueur d’onde l de l’onde associée ? (en m ?, nm ?, cm ?, mm ?)

6. Déterminer la fréquence d’une radiation électromagnétique de longueur d’onde: 1 Å ; 5000 Å ; 4,4 mm ; 89 m ; 562 nm.

7. Quelle est l’énergie associée à une mole de photons ayant pour longueur d’onde dans le vide l = 400 nm.

8. [S1] Calculer le facteur de conversion A qui lie l’énergie d’un photon, exprimée en électron-volts (eV) à sa longueur d’onde, exprimée en micromètres (mm) suivant la relation suivante : E(eV)=

9. COURS Décrire deux expériences permettant de montrer l'aspect ondulatoire d'une part, et l'aspect corpusculaire d'autre part de la lumière. Même question pour une particule élémentaire ayant une masse m.

10. [S1] Soit un proton de masse m = 1,67.10-24 g, possédant l’énergie cinétique EC = 1 KeV. Calculer la longueur d’onde l associée à ce proton.

11. Calculer la longueur d’onde d’un électron dans un accélérateur de particules de 10GeV (1GeV = 109eV) .

12. On a mené une expérience de diffraction électronique sur un faisceau d’électrons accélérés sous une différence de potentiel de 10 kV. Quelle était la longueur d’onde du faisceau d’électrons ?

13. Quelle est la longueur d’onde associée aux électrons thermiques à température ambiante et à 4 K (on prendra pour valeur de l’énergie thermique kBT)

14. On bombarde une cible métallique de fer (Z = 26) avec un faisceau d’électrons monocinétiques accélérés sous une tension de V0 = 100 kV. Calculer l’énergie cinétique des électrons incidents, calculer la longueur d’onde associée l en Å.

15. [S2] Lorsqu’un rayonnement électromagnétique monochromatique de longueur d'onde 450 nm parvient sur une surface de césium métallique, des électrons sont émis avec une énergie égale au maximum à 1,10 eV.

1) De quelle expérience s'agit-il ? Quelle est l'énergie nécessaire pour extraire un électron d'un cristal de césium 55Cs en eV et joules ?
2) Quelle est la vitesse maximale des électrons émis ?
3) Pour quelle longueur d'onde incidente leur vitesse serait-elle nulle ?
4) On utilise le césium métallique comme surface photosensible dans des cellules photoélectriques. Dans quel domaine de longueur d'onde peut-on l'utiliser?

16. [S2] On a trouvé que les molécules gazeuses d’iode se dissocient en atomes après absorption de lumière pour des longueurs d’onde inférieures à 4995 Å. Si chaque quantum est absorbé par une molécule de I2, quel est l’apport d’énergie minimum, en kcal/mol, nécessaire pour dissocier I2 par ce procédé photochimique ?

17. Une cellule photoélectrique réagit pour une longueur d’onde maximale de 680 nm. Quelle est l’énergie nécessaire pour extraire un électron de la photocathode ? Si l’on éclaire cette cathode avec une radiation de longueur d’onde 400 nm, quelle est la vitesse maximale des photoélectrons émis ?

18. a) L’énergie seuil du sodium est égale à 3.65 10-19J. Déterminer la fréquence seuil du sodium. b) A partir de cette fréquence seuil, calculer l’énergie cinétique des électrons qui seront éjectés si la surface du sodium est exposée à des rayons ultraviolets dont la longueur d’onde égale 180 nm.

19. [S2] Les données concernant l'effet photoélectrique de l'argent 47Ag sont présentées dans le tableau suivant :


Fréquence du rayonnement incident
×10-15 (Hz)
Energie cinétique des électrons éjectés
×1019 (J)
2,00
5,90
2,50
9,21
3,00
12,52
3,50
15,84
4,00
19,15

A partir d'un calcul de régression linéaire ou d'un graphique, (énergie cinétique des électrons éjectés en fonction de la fréquence du rayonnement incident) déterminer la valeur de la constante de Planck et la fréquence seuil de l'argent.
Chapitre 2 : Le modèle atomique ondulatoire

20. Définitions et notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre : Atome Hydrogénoïde, Atome de Bohr, Orbite de Bohr, Absorption, Emission,Transition, Etat Fondamental, Niveau Fondamental, Effet d’Ecran, Atome Polyélectronique, Constante de Rydberg, Couche Electronique, Couche de Valence, Diagramme d’Energie, Electrons Appariés, Energie d’Ionisation, Séries Spectrales (Lymann, Balmer, Paschen, Brackett et Pfund), Raie Spectrale, Raie Limite, Rayon Orbitalaire,

21. COURS Calculer, en utilisant le modèle atomique de Bohr, le rayon r1 de la première orbite (orbite K) décrit par l’électron autour du proton (On donne h = 6,627.10-34 J.s ; e = 1,6.10-19 C ; me = 9,1.10-31 kg ; eo = 8,85.10-12 F.m-1)

22. [S3] La première raie de la série de Balmer dans le spectre de l’atome d’hydrogène a pour longueur d’onde l = 6562,8 Å, déterminée à 1/10 d’Angström près. En déduire la constante de Rhydberg en cm-1, en précisant l’erreur absolue sur la valeur trouvée.

23. COURS Les affirmations suivantes sont-elles vraies ou fausses (justifiez votre réponse) :

a) la fréquence, ou la longueur d’onde, du rayonnement impliqué dans une transition électronique est la même, qu’il s’agisse d’absorption ou d’émission.
b) le spectre d’absorption de l’atome d’hydrogène pris dans sont état fondamental, ne comporte que les raies de la série de Lyman
c) les niveaux quantifiés correspondants aux valeurs successives du nombre n sont les mêmes dans tous les atomes.
d) il faut une énergie infinie pour porter un électron au niveau correspondant à n = .
24. [S3] En utilisant la théorie de Bohr, calculer en joules et en eV l’énergie de 2° ionisation de He et celle de 3° ionisation de Li. Peut-on obtenir par cette méthode l’énergie de 1° ionisation de He et celles de 1° et 2° ionisation du Li ? Conclure.


25. [S3] Calculer la longueur d’onde en m, nm et la fréquence en Hz de la raie correspondant à la transition entre les niveaux n = 2 vers n = 1 : a) dans le cas de l’atome d’hydrogène, b) dans le cas de l’ion He+

26. COURS Placer sur deux diagrammes d’énergie distincts les divers niveaux En de l’atome d’hydrogène et de l’hydrogénoide He+. Matérialiser les absorptions, les émissions. calculer cinq ou six transitions des séries dites de LYMAN, BALMER, PASCHEN, BRACKETT, PFUND en donnant l en m, nm ; n en Hz et en cm-1. . Existent-t-il des transitions de mêmes énergie dans l’atome d’hydrogène et dans l’ion He+, si oui, lesquelles ?

27. [S3] A partir des données des potentiels de première ionisation I1 , calculer les constantes d’écran s, puis les rayons des atomes de potassium et de fluor pris à l’état gazeux . I1(eV) fluor = 17,4 et I1(eV) du potassium = 4,34

28. [S4] Les atomes à deux électrons He et Li+ (cet exercice a pour but de mettre en évidence l’importance de l’interaction entre les deux électrons)

a) Déterminer l’énergie électronique totale de He et Li+ à l’état fondamental, à partir des données.
b) On néglige complètement l’interaction entre les deux électrons :
- Quelle est l’énergie du système en fonction de E1s(H) et de Z. Applications numériques aux systèmes He et Li+. Comparer aux résultats de a).
- En déduire EI1 et EI2 de He, EI2 et EI3 de Li et les comparer aux valeurs expérimentales.
c)Mêmes questions si on suppose que l’action d’un électron sur l’autre est équivalente à celle d’une charge ponctuelle -se placée au noyau (modèle de Slater).
Données: Valeurs expérimentales des énergies d’ionisation en eV :

EI1
EI2
EI3

He
24,5
54,4

s=0,31
Li
5,4
75,6
122,4


29. [S4] An atomic species has five accessible states with the following energies with respect to ionization : -8.72 x 10-18 J, -2.18 x 10-18 J, -0.969 x 10-18 J, -0.545 x 10-18 J, and -0.349 x 10-18 J. Suppose that an atom is in the state with E=-0.969 x 10-18 J. Calculate the wavelengths of photons which could be absorbed by the species and of photons which could be emitted by the species.

Chapitre 3 : Les Orbitales Atomiques

30. Définitions et notions devant être acquises à l’issue de ce chapitre: Fonction d’Onde | Case

Quantique, Orbitales Atomiques (s, p, d et f), Equation de Schrödinger,
Principe d’exclusion de Pauli, Règle de Hund, Principe d’Incertitude
d’Heisenberg, Probabilité de Présence, Densité Volumique de Probabilité ,
Densité Radiale de Probabilité, Nombre Quantique Principal, Nombre
Quantique Secondaire, Moment Cinétique Orbital, Spin de l’Electron,
Règle de l’Octet, Approximation de Born-Oppeinheimer, Condition de
Normalisation, Opérateur Hamiltonien, Dégénérescence d’Energie, Levée de
Dégénérescence, Fonction Angulaire, Fonction Radiale, Puits de
Potentiel, Sous-Couche Electronique, Surface d’Isodensité, Surface
Nodale,

31. COURS Quel est le nombre maximum d'électrons que peut contenir un
niveau d'énergie défini par le nombre quantique n ?

32. [S5] a) On suppose que la position d’un électron est connue avec
une précision de 5pm. Quelle est l’incertitude minimale sur sa vitesse ?

b) On suppose à présent que la vitesse de l’électron est connue avec une
précision de 1,0 mm.s-1 ; quelle est l’incertitude minimale sur sa
position (Problème d’unité à démontrer : 1J = 1kg m2 s-2) ?
c) Supposons qu’on désire localiser la position d’un électron avec une
fourchette d’imprécision de 5.0 10-11m, qui représente quelques pour
cent du gabarit d’un atome. En se basant sur le principe d’incertitude
de Heisenberg, estimer l’incertitude qui devra correspondre à la vitesse
de cet électron. Si l’électron se déplace à la vitesse de 3.05 107
m.s-1, quelle fraction de cette vitesse l’incertitude concerne-t-elle ?
33. COURS Donner les représentations spatiales schématiques et les
signes des parties angulaires des orbitales atomiques suivantes : 3pz,
3dx2-y2, 3dxy, 3dz2 .

34. [S5] Quelle est la probabilité pour l’électron d’un atome
d’hydrogène à l’état fondamental de se trouver à une distance du noyau
inférieure à a0 (on donne : ) ?

35. Quelle est la probabilité de présence de l’électron dans l’état
fondamental entre deux sphères concentriques de rayon 0,5 a0 et 1,5a0
(on donne : ) ?

36. COURS Quelle valeur prend la fonction y(n,l,m) sur le noyau
lorsque n=1, l=0 et m=0 ? Que vaut la densité radiale de probabilité de
présence dans ces mêmes conditions ?

37. COURS Schématiser les densités de probabilité de présence des
différentes orbitales atomiques de l’atome d’hydrogène en indiquant les
signes des fonctions d’onde correspondantes.

38. COURS Etude des orbitales atomique 1s, 2s et 3s des atomes
hydrogénoïdes 1) Rappeler les valeurs des nombres quantiques qui les
caractérisent. 2) Calculer, pour chacune de ces orbitales la distance à
laquelle la probabilité de trouver l’électron est la plus grande. 3)
Calculer la valeur moyenne de la distance entre l’électron et le noyau
pour l’orbitale correspondant au niveau d’énergie le plus profond.

39. COURS a)Définir les surfaces nodales de l’orbitale atomique 2py
de l’atome d’hydrogène. Comment évoluent ces surfaces nodales dans le
cas d’un atome hydrogènoïde ave Z¹1.

b)Démontrer que le plan xOz est plan nodale de cette orbitale.
c)Représenter schématiquement le nuage électronique correspondant à
cette orbitale : pour cette représentation utiliser des ombres plus ou
moins foncées ou des points plus ou moins resserrés.
40. [S6] Atoms and ions can be excited to very high states called
Rydberg states. Consider a He+ ion which has been excited to the n=45 state
(the nucleus of the one-electron ion is an alpha particle).

a) Calculate the ionization energy of the ion
b) Calculate the average size of the ion
c) The result calculated above is an estimate of the uncertainty
of the position of the electron in the ion. Use the result to estimate
the uncertainty of the electron’s momentum.
d) Calculate the maximum possible value of the orbital angular
momentum in unit of h/2p
e) The ion is moving with a speed of 2.0 km/s. Calculate the de
Broglie wavelength of the ion.
f) Suppose that a sample of 1000 He+ ions in the n=45 stae is
prepared. When the excited ions decay to the ground state, will
monochromatic or polychromatic radiation be emitted? Explain


Chapitre 4 : La Classification périodique des éléments

41. Définitions et notions devant être acquises à l’issue de ce
chapitre : Période | Colonne | Famille | Bloc (s, p, d, et f) | Nombre
(ou Degré) d’Oxydation (ou valence formelle) | Electronégativité |
Affinité Electronique | Alcalino-terreux | Chalcogènes | Lanthanides |
Métaux de Transition | Non-Métaux | Semi-Métaux | Règle de Klechkowski
| Absorption et Emission des Rayons X | Couplage Spin-Orbite | Couches
(K,L,M,N, …), Sous-Couches (Ka, Kb, …) | Principe de Stabilité
(Sphéricité) | Rayon Atomique | Rayons Ioniques | Structure (ou
Configuration) Electronique |

42. COURS De mémoire, dessiner toutes les cases du tableau
périodique. Indiquer pour chacune d’elle le numéro atomique, le symbole
chimique ainsi que le nom de l’élément


43. COURS Que deviendrait la classification périodique si le spin de
l’électron était nul mais que le principe d’exclusion de Pauli
s’appliquait encore ? Prédire la configuration électronique de l’état
fondamental des dix premiers éléments. Quels éléments seraient ses «gaz
rares » ? Quelles prédictions pourrait-on faire sur la chimie des
éléments dans l’univers ?

44. COURS Classer par ordre d'électronégativité croissante H, F (9),
Al (13), O (justifier ce classement)

45. COURS Classer par ordre d’énergie de première ionisation
croissante : Al, Cl, F, He-,K, K+,et Mg.

46. COURS Classer par ordre de rayon croissant : Mg2+ (12), Ar (18),
Br- (35), Ca2+ (20) (justifier ce classement)

47. COURS Classer par ordre de rayon croissant : Cl, Cs, Cs+,Cs-,F,
He et P.

48. COURS Proposer quatre atomes (ou ions) appartenant à des périodes
différentes mais possédant le même nombre d’électrons de valence.

49. [S6] L'énergie de première ionisation de l'hélium est de 2370
kJ.mol-1. a) Définir l'énergie d'ionisation. Pourquoi celle de l'atome
d'hélium est-elle si élevée ? b) Quelle est la longueur d'onde maximale
de la radiation capable d'ioniser l'atome d'hélium.

50. COURS Comment évolue l’énergie de première ionisation des métaux
alcalins lorsque Z augmente (la réponse devra être justifiée) ?

51. [S6] The eight ionization energies of ground-electronic state of
oxygen are 13.614 eV, 35.108 eV, 54.886 eV, 77.394 eV, 113.08 eV,
739.114 eV, and 871.12 eV. Discuss how these data support the shell
model of the atom. That is one of the eight values can be calculated
using the Bohr formula, which one?

52. COURS Donner les symboles et nommer les éléments ayant une couche
externe à 8 électrons. Quel est le nom de leur groupe ? Ont-ils des
propriétés chimiques variées ? Quelles sont leurs caractéristiques
physiques ? Ont-ils des utilisations en industrie ?

53. COURS Soit le chlorure de sodium, l'iodure de potassium, le
fluorure de césium et le bromure de rubidium, a) Donner la formule
chimique de ces molécules biatomiques, b) Citer le nom de l'élément le
plus électronégatif dans chaque molécule, c) Donner pour tous les
éléments (constituant les molécules précédentes) la colonne de la
classification périodique ainsi que le nom du groupe auxquels chacun
d'eux appartient, d) Classer ces éléments en oxydants ou réducteurs.

54. COURS Soit l'oxyde de magnésium, le sulfure de baryum, le sulfure
de strontium et l'oxyde de baryum, a) Donner la formule chimique de ces
molécules biatomiques, b) Citer le nom de l'élément le plus
électronégatif dans chaque molécule, c) Donner pour tous les éléments
(constituant les molécules précédentes) la colonne de la classification
périodique ainsi que le nom du groupe auxquels chacun d'eux appartient.

55. COURS Soit les deux éléments les plus légers de la quatorzième
colonne de la classification périodique, a) Nommer-les et citer le moins
électronégatif, b) Forment-ils des composés avec l'oxygène ? avec
l'hydrogène ? c) Citer et nommer des exemples de composés comportant au
maximum un atome de C ou de Si.

56. COURS Compte tenu des nombres d'oxydation des éléments (cf.
classification périodique), proposer la formule chimique des composés
formés à partir des éléments ayant un Z compris entre 26 et 30 (26 £ Z £
30), avec les deux éléments les plus électronégatifs de la 2ème
période. Nommer ces composés.

57. Donner les nombres d’oxydation (ou charges formelles) de chaque
atome dans les composés suivants : CaO, LiH, N2, Fe3O4, NH4Cl et l’anion
IO3-.

58. Quels sont les deux oxydes de phosphore les plus stables ?

59. Quels sont les deux oxydes d’azote les plus stables ?

60. [S7] Comment peut-on expliquer que l’or soit l’un des métaux de
transition les moins électropositifs. Peut-on dire qu’il soit
électronégatif ? Quelles conséquences observe-t-on sur les propriétés
chimiques de ce métal ?

61. [S7] Quels sont les éléments susceptibles de former des hydrures ?

62. [S7] Donnez les configurations électroniques des atomes suivants
(les numéros atomiques sont donnés entre parenthèses) : C (6), N (7), P
(15), Sc (21), Cr (24), Ni (28), Cu (29), Zn (30), Zr (40), Pd (46), Te
(52), Au (79). De même pour les ions suivants : V3+ (23), Cr3+ (24),
Fe2+ (26), Co2+ (27), Co3+ (27), Ni2+ (28)

63. Donner la configuration de l'état fondamental de :Ga (31), I-
(53), Sr+ (38), d'un état excité de : Xe+ (54), Ca (20), O (

64. [S7] Which element could have a ground state valence shell
electron in the following orbital :

a) 3px
b) 2px, 2py and 2pz
c) 3dz2
65. [S8] Make an energy level diagram that shows the electrons in the
following: F, F-, N, N3-, Si

66. [S8] L’atome de titane est-il magnétique ou non ? Même question
pour l’ion Ti2+. Quel est le nombre d’oxydation maximum que l’on peut
obtenir dans des conditions de chimie normales ? La configuration
électronique expérimentale du cation V+1, qui est isoélectronique du
titane, est [Ar] 3d4. Est-ce un résultat attendu oui non ?

67. [S8] a) Donner la configuration électronique de l'atome d'azote.
Citer un autre élément appartenant à la même colonne de la
classification périodique. b) On donne les énergies de première
ionisation en eV des éléments suivants : C : 11,3 eV; N : 14,5 eV; O :
13,6 eV ; F : 17,4 eV. Il existe une anomalie, laquelle ? Proposer une
explication.

68. [S9] a) Donner la configuration électronique de l'atome
d'aluminium dans son état fondamental. b) Quand l'électron externe passe
du niveau 4s à son niveau fondamental, une radiation de l = 395 nm est
émise. Calculer en joules et en électron-volts la différence d'énergie
entre les deux niveaux. c) par passage du niveau 3d au niveau
fondamental, une radiation de l = 310 nm est émise. Représenter sur un
diagramme les différences d'énergie entre les différents niveaux de
l'électron externe : fondamental, 4s et 3d.

69. Donner la structure électronique des atomes et ions suivants :
Fe, Fe2+ et Fe3+. Quels oxydes peut-on rencontrer à partir des deux
ions du fer ? Quelles sont les valences formelles des ions dans la
magnétite Fe3O4 ?

70. Quelles sont les valences stables du manganèse ? En déduire les
oxydes stables susceptibles de se former. Lequel présentera des
propriétés magnétiques utilisables notamment pour le stockage
d’information ?

71. COURS Lesquelles de ces configurations sont-elles justes ?
Correspondent-elles à la description d'états fondamentaux, excités, ou
en quoi sont-elles fausses ? 1s2 2p1 ; 1s2 2s2 2d1 ; 1s2 2s3 ; 1s2 2s2
2p1 ; 1s2 2s2 2p3 ; 1s2 2s2 3s1

72. COURS Soit une source de rayons X utilisant la radiation Ka du
cuivre. Indiquer sur un diagramme d’énergie les niveaux impliqués au
cours de cette transition. S’agit-il d’une absorption ou d’une émission ?
Que devient la longueur d’onde de cette radiation si l’on remplace le
cuivre par un élément plus léger ?

73. COURS Quels sont les atomes susceptibles de produire des
radiations L lorsqu’ils sont bombardés par des électrons de fortes
énergies ? Même question pour les radiations M et N.

74. [S9] Faire correspondre, dans la liste suivante (0,15418 nm ;
8.049 KeV ; 8,040 KeV, 8,903 KeV, 0,930 KeV et 1,5406 Å ) chacune des
transitions rais d’émission suivantes Kb, Ka1, Ka2, Ka2, Ma et La, pour
le cuivre.

Chapitre 5 : La Liaison Chimique

75. Définitions et notions devant être acquises à l’issue de ce
chapitre : Représentation de Lewis | VSEPR | LCAO | Mulliken | Orbitale
Moléculaire | Orbitale Sigma | Orbitale P i | Orbitale Liante | Orbitale
Anti-Liante | Indice (ou Ordre) de Liaison | Liaison Multiple | Energie
de Liaison | Distance de Liaison | Electrons de Liaison | Electrons
Antiliant |, Electrons non Liants | Molécule Homonucléaire | Molécule
Hétéronucléaire | Moment Dipolaire | l’unité Debye | Hybridation

76. COURS Représenter selon le modèle de LEWIS les 20 premiers
éléments du tableau périodique.

77. [S13] Donner la structure de LEWIS des molécules et ions suivants
: H2, Cl2, H2O, H3O+, H2O2, H2S, O2, N2, NH3, NH, NO, CO2, C2H2, CO,
CN-, SO2, OH-, O3, SO, PO, PCl3, HCN, PCl5, BH,SF4 Quels sont, parmi ces
composés,ceux qui n’obéissent pas à la règle de l’octet?

78. Donner les structures des espèces suivante : IF, IF3, IF5, en
indiquant les déformations attendues, quelle théorie utiliser pour
expliquer ces déformations ?

79. [S10] Chlorine and Fluorine form a series of compounds with the
molecular formula ClFn.

a) What is the oxidation number of fluorine in every member of the
series?
b) What is the range of possible oxidation numbers of chlorine?
c) Draw electron-dot structure(s) of all the members of the series
allowed by the rule of 8.
d) Draw electron-dot structure(s) of any additional species
allowed by the application of the extended valence.
e) Predict the geometry of the species proposed above.
f) Stable isolatable species are only possible for even values of
n if the species is an ion. Explain why.
g) The only allowed stoichiometry for the series FCln is FCl.
Explain why.
80. [S10] The valence of carbon, hydrogen, and oxygen in their stable
compounds are 4, 1, and 2 respectively.

a) Draw the structure of all reasonable isomers of C3H4O.
b) Do not consider species with 3-membered rings as they are
likely to be unstable. Explain why.
c) Predict the hybridization of all heavy atoms and all bond
angles of each structure.
81. COURS Donner l’expression de la fonction y2s de l’atome
d’hydrogène. Décrire avec un maximum de précision la (ou les) surface(s)
nodale(s). Que vaut la probabilité de trouver un électron 2s sur cette
surface ?

82. COURS Donner l’expression de la fonction y2p de l’atome
d’hydrogène. Décrire avec un maximum de précision la (ou les) surface(s)
nodale(s). Que vaut la probabilité de trouver un électron sur cette
surface ?

83. [S11] Décrire la structure électronique des molécules diatomiques
homonucléaires suivantes à l’aide de la théorie des orbitales
moléculaires (LCAO-MO) : H2+, H2, He2+, He2, N2+, N2, O2, Li2, Be2, B2,
C2, F2, S2, Ne2. Lesquelles sont isoélectroniques ? Indiquer leur ordre
de liaison et leur stabilité respective en fonction de leurs énergies de
liaisons . Quelles sont les molécules qui n’existent pas ?

84. [S11] Construire le diagramme des niveaux d’énergie de la
molécule Li2 . c) Construire le diagramme des orbitales moléculaires de
LiH. La molécule LiH a un moment dipolaire 5,88D et une longueur de
liaison de 1,60Å. Quel est le pourcentage ionique de la liaison? Données
: Z(Li) = 3; Z(H) = 1.

85. [S12] 1) Donner les diagrammes d’énergies des molécules
hétéronucléaires suivantes: CO+, CO, CO- 2) En déduire leurs
configurations électroniques et leurs ordres de liaison; 3) Laquelle,
parmi ces espèces, doit avoir la plus courte liaison ? 4) Indiquer, si
possible, leurs propriétés magnétiques.

86. [S12] On considère la molécule d’hydrure de béryllium BeH2 :
(Be,Z=4; H, Z=1; cBe=1.57, cH=2.20). a) Prévoir la structure
géométrique de cette molécule et indiquer une hybridation appropriée des
orbitales atomiques de valence de l’atome central.. b) Représenter
schématiquement les orbitales moléculaires de liaison (recouvrement
positif des orbitales atomiques) c) La molécule possède - t’elle un
moment dipolaire total ? Justifier votre réponse.

87. 1) Prédire la géométrie des molécules et des ions suivants en
précisant aussi les schémas de Lewis pour chacun (l’atome central est
souligné) : H2CO ; PCl ; ClF3 ;IO ; CO2 2) Indiquer pour ces 5 exemples
l’hybridation de l’orbitale de l’atome central. 3) Justifier si
possible leurs principales propriétés (angles, symétries, moments
dipolaires, configurations moléculaires, …

88. [S12] Comment expliquer, par la théorie de l'hybridation, la
formation du complexe Fe (H2O)62+ à partir d'un ion Fe (II) et de six
molécules d'eau, considérées chacune comme donneuse d'un doublet
électronique ? Préciser la géométrie du complexe formé.