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Kevin Moris

Professeur de Chimie en PCSI

au lycée Vaugelas (Chambéry)

Philippe Hermann

Professeur de Chimie en PCSI

au lycée Victor Hugo (Besançon)

Yves Le Gall

Professeur de Chimie en PCSI

au lycée Lakanal (Sceaux)

9782100556267-Moris-lim.qxd 12/05/11 15:01 Page I

© Dunod, Paris, 2011

ISBN 978-2-10-056

8 2 5 3

DESMÊMESAUTEURS

Chimie PCSI, Le Compagnon,Dunod, 2011.

Relecteurs scientifiques :

Anaëlle Barthelon, Christophe Ravel, Vincent Robert

9782100556267-Moris-lim.qxd 12/05/11 15:01 Page II

1• La cinématique

III Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Chapitre 1• Les lois de Newton

Table des matières

1. Configurations électroniques1

1.1Structure d'un atome 1

1.2Cas de l'atome d'hydrogène 2

1.3Les nombres quantiques 2

1.4Atomes polyélectroniques 3

1.5Schéma de Lewis des atomes 6

1.6Cas des ions 6

Synthèse7

Tests et exercices8

Corrigés des exercices10

2. Classification périodique

des éléments13

2.1Présentation rapide 14

2.2Évolution de quelques propriétés atomiques 15

Synthèse18

Tests et exercices19

Corrigés des exercices22

3. Schémas de Lewis

des molécules. Règles VSEPR24

3.1La liaison chimique selon Lewis 24

3.2Représentation de Lewis 26

3.3Prévision de la géométrie de molécules 31

Synthèse34

Tests et exercices35

Corrigés des exercices38

4. La cinétique du point de vue

macroscopique43

4.1Vitesses en cinétique chimique 44

4.2Facteurs influençant la vitesse de réaction 48

4.3Lois de vitesse et cinétique formelle 53

4.4Détermination expérimentale des ordres 59

Synthèse 65

Tests et exercices67

Corrigés des exercices73

5. La cinétique du point de vue

microscopique83

5.1Actes élémentaires 83

5.2Mécanismes réactionnels 91

Synthèse 101

Tests et exercices102

Corrigés des exercices108

6. Équilibres acido-basiques.

Détermination de l'état d'équilibre

d'une solution aqueuse117

6.1Définitions préliminaires 117

6.2Constante d'équilibre : K

o T 120

6.3Quotient de réaction et constante

d'équilibre 122

6.4Réactions acido-basiques 122

6.5Force d'un acide ou d'une base 123

9782100556267-Moris-tdm.qxd 12/05/11 15:19 Page III

IV

Table des matières

6.6Couples acido-basiques de l'eau -

Effet nivelant du solvant 124

6.7Diagrammes de prédominance

et de distribution 125

6.8Prévision du sens d'échange du proton 127

6.9Calculs de pH 130

6.10Application à un dosage acido-basique 141

Synthèse144

Tests et exercices146

Corrigés des exercices150

7. Les réactions

de complexation156

7.1Échange de cations et d'anions 156

7.2Constantes d'équilibre 157

7.3Diagramme de prédominance -

Diagramme de distribution 159

7.4Prévision du sens d'échange de la particule 161

7.5Détermination de l'état d'équilibre

d'une solution aqueuse 162

7.6Notion de réaction prépondérante

généralisée 166

7.7Titrage complexométrique 168

Synthèse170

Tests et exercices171

Corrigés des exercices176

8. Les réactions

de précipitation184

8.1Échange de cations et d'anions 184

8.2Équilibre solide / espèces en solution -

constante d'équilibre 185

8.3Effet d'ion commun -

Influence sur la solubilité 189

8.4Dosage par précipitation 190

Synthèse192

Tests et exercices193

Corrigés des exercices196

9. Les réactions

d'oxydo-réduction204

9.1Échange d'électrons 204

9.2Définitions fondamentales 205

9.3Nombres d'oxydation 205

9.4Cellule électrochimique 210

9.5Pile électrochimique 210

9.6Potentiel d'électrode ou potentiel

d'oxydoréduction 211

9.7Relation de Nernst 212

9.8Prévision des réactions rédox 212

9.9Méthode de la réaction prépondérante 214

9.10Calcul d'un potentiel standard inconnu 215

9.11Dosage rédox 217

Synthèse219

Tests et exercices220

Corrigés des exercices224

10. Thermodynamique

des systèmes chimiques230

10.1Modèles d'étude des transformations 231

10.2États standard, grandeurs molaires standard 234

10.3Grandeurs standard de réaction 237

10.4Application :

étude des transferts thermiques 243

10.5Formation d'un constituant

physico-chimique 247

10.6Thermochimie de quelques transformations 251

Synthèse254

Tests et exercices255

Corrigés des exercices261

11. Éléments de cristallographie

(Option SI)269

11.1L'état solide cristallin 269

11.2Définitions de base 270

11.3Cristaux métalliques 272

11.4Les cristaux ioniques 281

9782100556267-Moris-tdm.qxd 12/05/11 15:19 Page IV

V Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

Table des matières

11.5Les cristaux covalents 287

11.6Les cristaux moléculaires 289

Synthèse291

Tests et exercices292

Corrigés des exercices296

Fiches méthode301

1.Comment écrire un mécanisme réactionnel

en chimie organique ? 301

2.Méthode de la réaction prépondérante 303

3.Comment bien travailler en prépa ? 304

4.Comment bien rédiger une copie ? 306

Classification périodique

des éléments308

Index309

9782100556267-Moris-tdm.qxd 12/05/11 15:19 Page V

Pour bien utiliser

La page d'entrée de chapitre

Elle propose une introduction au cours,un

rappel des prérequis et des objectifs, ainsi qu'un plan du chapitre.

Le cours

• Le cours aborde les notions du programme de façon synthétique et structurée afin d'en faciliter l'apprentissage. • Des encarts détaillent étape par étape les méthodes essentielles,et sont suivis d'exem- ples d'application.

MonierAlgèbreMonier

Géométrie

MonierAlgèbreMonier

MonierAlgèbreGéomé

GéométrieMonier

Les pictogrammes

Des commentaires pédagogiques vous

accompagnent dans le cours et dans les corrigés d'exercices. Ils sont identifiés par deux pictogrammes :

Commentaires pour bien comprendre le cours ou les

corrigés d'exercices.

Mise en garde contre des erreurs fréquentes.

La synthèse

En fin de chapitre, elle vous propose un

récapitulatif des savoirs, des savoir-faire et des mots-clés.

9782100556267-Moris-DP.qxd 12/05/11 14:51 Page VI

VII

Exercices d'approfondissement

Des énoncés qui vous proposent de résoudre des problèmes demandant une réflexion plus poussée, souvent extraits d'annales de concours. Leur difficulté est indiquée sur une échelle de 1 à 3.

Les corrigés des exercices

Tous les tests de connaissances, les exercices

d'application et d'approfondissement sont corrigés. Les solutions sont regroupées en fin de chapitre. cet ouvrage 3 Schémas de Lewis des molécules - Règles VSEPR

Exercices d'approfondissement

3.12 3.13 C Cl O 3.14# F H H H C-F C-H C-H C-H 3.15 3

Schémas

de Lewis des mol

écules

- Règles VSEPR 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

Exercices d'application

Ils vous proposent d'utiliser vos connaissances

du cours pour résoudre des problèmes simples. Leur difficulté est indiquée sur une échelle de

1 à 3.

Tester ses connaissances

Quelques QCM pour tester votre connaissance

du cours.

9782100556267-Moris-DP.qxd 12/05/11 14:51 Page VII

9782100556267-Moris-DP.qxd 12/05/11 14:51 Page VIII

Configurations électroniquesCOURS & MÉTHODES 1 Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. 1 1

CHAPITRE

1

Configurations

électroniques

Introduction

En admettant que l'énergie des électrons des atomes est quantifiée, nous appren- drons à établir la structure électronique d'un atome ou d'un ion dans son état fon- damental à partir de règles simples. Nous pourrons en déduire les schémas de Lewis des atomes. À partir de toutes ces connaissances, nous pourrons alors com- prendre, dans le chapitre suivant, la construction de la classification périodique.

Prérequis

•Structure d'un atome (classe de seconde et classe de terminale S) •Répartition des électrons en couches (K, L, M, etc.) autour du noyau

Objectifs

•Écrire la structure électronique d'un atome ou d'un ion •En déduire son schéma de Lewis

1.1Structure

d'un atome 1

1.2Cas de l'atome

d'hydrogène 2

1.3Les nombres

quantiques 2

1.4Atomes

polyélectroniques 3

1.5Schéma de Lewis

des atomes 6

1.6Cas des ions 6

Tests et exercices 8

Corrigés 10

Plan

1.1 Structure d'un atome

Tous les atomes sont constitués d'un noyau et d'électrons qui gravitent autour du noyau.

Le noyau comprend Z protons et A-Z neutrons.

•Z est le numéro atomiqueet correspond au nombre de protons dans un noyau : il caractérise l'élément chimique. •A est le nombre de masse, il donne le nombre total de nucléons (protons + neutrons) présents dans le noyau. Autour du noyau considéré comme ponctuel (ses dimensions sont de l'ordre de 10 ?15 m) circulent Z électrons (pour assurer la neu- tralité électrique) à des distances moyennes telles que l'ordre de grandeur d'un atome avoisine 10 ?10 m. On note généralement un élément ainsi :

Exemple

56
26
Fe, 56
26
Fe 2+ 56
26
Fe 3+ caractérisent l'élément " fer » dans différents états d'oxyda- tion. A Z X

9782100556274-Moris-C01.qxd 6/05/11 10:51 Page 1

Configurations électroniques

COURS & MÉTHODES1

2

1.2 Cas de l'atome d'hydrogène

Les énergies de l'électron de l'atome d'hydrogène ne peuvent prendre que certaines

valeurs particulières : elles sont quantifiées. Celles-ci (exprimée en électron-volt ou eV)

sont données par : E n 13,6 n 2 eV avec n"N et 1 eV=1,602.10 !19 J n=1correspond à l'état fondamental, c'est-à-dire à l'état d'énergie minimale. Les

valeurs de nsupérieures à 1 sont qualifiées d'états excités. Pour des valeurs de ntrès

grandes (typiquement de l'ordre de la centaine) les états de l'atome d'hydrogène sont qualifiés d'états de Rydberg. Lorsque n=1, on dit que l'électron est sur la couche K,

lorsque n=2, il est sur la couche L, etc. (cette nomenclature a déjà été vue entre la clas-

se de seconde et de terminale S). Lorsque l'électron se trouve sur un niveau d'énergie (une couche) correspondant à un

état excité (caractérisé par un entier m), il retourne sur des niveaux plus stables (carac-

térisés par un entier p) en émettant des photons d'énergie bien particulières et produit

un spectre de raies. Les positions de ces raies sont données par la formule de Ritz-Rydberg: 1 =R H 1 p 2 1 m 2 !est le nombre d'onde (m -1 ),"(m) est la longueur d'onde,p"N ,m"N avec m>p. R H =1,0973731.10 7 m -1 est la constante de Rydberg.

1.3 Les nombres quantiques

Pour décrire le plus complètement possible l'électron de l'atome d'hydrogène, l'expé- rience ainsi que les modèles théoriques montrent qu'il faut utiliser plusieurs nombres quantiques : •n, le nombre quantique principaldéfinit la couche sur laquelle l'électron se trouve rangé,n"N . La connaissance de nsuffit pour donner l'énergie de l'électron. •#, le nombre quantique secondaireou azimutalprécise la sous-couche dans laquel- le l'électron se trouve rangé,#"[0,n!1],#"N. Une lettre minuscule est associée

à chaque valeur de #:

Cette formule s'étend aux

espèces hydrogénoïdes (possédant un seul électron comme He , Li 2+ , etc.) sous la forme : 1 =Z 2 $R H 1 p 2 1 m 2 où Z est le numéro atomique de l'hydrogénoïde.

MonierAlgèbreMonier

Géométrie

MonierAlgèbreMonier

MonierAlgèbreGéomé

GéométrieMonier

valeur de oeoe0 1 2 3 4 lettre associées p d f g Ceci permet alors de nommer les différentes sous-couches de la façon suivante par valeur de n: M Monie Mon G

9782100556274-Moris-C01.qxd 6/05/11 10:51 Page 2

Configurations électroniques

3 Le chiffre indique la valeur de net la lettre la valeur de #. Les sous-couches contien- nent une ou plusieurs orbitales atomiques. •m , le nombre quantique magnétiqueprécise le mouvement orbital de l'électron autour du noyau. On notera que m "[!#,+#],m "Z. Les différentes valeurs pos- sibles de ce nombre pour chaque valeur de #précise le nombre d'orbitales atomiques dans chaque sous-couche. On les symbolise par des " cases quantiques » :!

Exemple : Pour n=3,#peut valoir 0, 1 ou 2 :

Dunod. La photocopie non autorisée est un délit.

COURS & MÉTHODES

1 oeoe 0123
n 11s 22s2p

33s3p3d

44s4p4d4f

Une orbitale atomique est une

fonction mathématique décrivant le comportement de l'électron. Il n'est pas nécessaire

à ce stade de maîtriser cette

notion qui sera revue au chapitre 19.

MonierAlgèbreMonier

Géométrie

MonierAlgèbreMonier

MonierAlgèbreGéomé

GéométrieMonier

oeoe 0 1 2 n 3m =0m !1,0,1m !2,!1,0,1,2 cases quantique3s:!3p:!!!3d:!!!!!

La connaissance d'un triplet (n,#,m

) suffit à décrire l'électron de l'atome d'hy- drogènemais la connaissance de nsuffit pour donner l'énergie de cet électron. Toutes les cases quantiques caractérisées par la même valeur de n, sont dites dégé- nérées. Dans l'exemple ci-dessus, les neuf cases quantiques de la couche n=3ont toutes la même énergie.

1.4 Atomes polyélectroniques

Les atomes polyélectroniques sont constitués d'un noyau et de plusieurs électrons gra- vitant autour de celui-ci. Pour décrire complètement le comportement des électrons de tels atomes, il faut introduire un quatrième nombre quantique. On appelle ce nombre le nombre quantique de spin. Il ne peut prendre que deux valeurs :m s 1 2 (on peut le schématiser ainsi : ) et m s 1 2 (on peut le schéma- tiser ainsi : ). C'est ce quatrième nombre qui permettra de distinguer deux électrons dans une même case quantique.

1.4.1 Principe d'exclusion de Pauli

Deux électrons ne peuvent pas posséder quatre nombres quantiques identiques.

9782100556274-Moris-C01.qxd 6/05/11 10:51 Page 3

4 Une case quantique étant définie par la donnée de trois nombres quantiques (n,# et m ), elle ne pourra donc décrire que le comportement de deux électrons au maximum :quotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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