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Chimie minérale systématique I

Non-métaux et métalloïdes

1 Les éléments chimiques

1.1 Le tableau périodique

1.2 Répartition naturelle des éléments

1.3 L'origine des éléments

2 L'hydrogène

2.1 Généralités

2.2 Propriétés et composés

2.3 Production et utilisation

2.4 Les eaux naturelles

3 Les gaz nobles

3.1 Généralités

3.2 Utilisation des corps simples

3.3 Composés de gaz nobles

4 Les halogènes

4.1 Généralités

4.2 Corps simples et hydrures

4.3 Les oxacides5 Les chalcogènes

5.1 Généralités

5.2 Corps simples et hydrures

5.3 Oxydes et oxacides du soufre

6 Les pnictogènes

6.1 Généralités

6.2 Corps simples et hydrures

6.3 Oxydes et oxacides

7 Les cristallogènes

7.1 Généralités

7.2 Corps simples, hydrures et halogénures

7.3 Oxydes et oxacides

8Le bore

8.1 Généralités

8.2 Halogénures, oxyde et oxacides

1 Les éléments chimiques : Le tableau périodique

Eléments chimiques connus : 118

Eléments chimiques naturels : 91

Eléments chimiques artificiels : 27Métalloïdes : B, Si, As, At

Semi-métaux : Ge, Sb, Te, PoMétaux Non-métaux En général, les métaux apparaîssent dans la nature sous

forme cationique, les non-métaux sous forme anionique. 2 Les éléments chimiques : répartition naturelle

Abondance terrestre :

O 49.9 %, Si 25.8 %

Al 7.6 %, Fe 4.7 %, Ca 3.4 %

Na 2.6 %, K 2.4 %, Mg 1.9 %

H 0.9 %, Ti 0.4 %, N 0.3 %

Cl 0.2 %, C 0.09 %

Segment d'une coupe

du globe400 km 16 km

2900 km

3500 kmAtmospère

Lithosphère, hydrosphère, biosphère

Manteau de la Terre

Noyau de la TerreRégion terrestre

3

L'origine des éléments chimiques

Modèle du " Big Bang »

Suite à une période dense et chaude de l'univers, la matière cosmique primitive (plasma de neutrons, protons et électrons) subit une expansion et se refroidit. Les éléments chimiques naissent par nucléosynthèse.

Fusion nuléaire à partir de l'élément hyrogène (proton) se déroulant dans les astres :

4 H 11

He + 2 e

4 20 1 (*) Cette particule est un positron : e

T = 5778 K

(surface solaire) He + 42
Be 8 4 (manteau solaire) He + 4 2 He 4 2 Be 8 4 C 12 6

également :O, Ne, Mg, Si, S

atomes plus lourds, maximum de stabilité :Fe et Ni (noyau solaire)(*) (T= 15 millions de degrés au coeur) 4

L'hydrogène : généralités

L'hydrogène est l'élément numéro 1 du tableau périodique. C'est l'élément le plus léger et le plus fréquent de l'univers (90 % de la matière cosmique).

Corps simple

Molécule diatomique : H

2

P.E. -253°C, P.F. -259°C

M = 2.0154 g/mol

ȡ= 0.08987 g/l (0°C, 1bar)

IsotopesHydrogène:

1 H(1 p , 1 e ), deutérium: 2 H(1 p , 1 n, 1 e ), tritium: 3 H(1 p , 2 n, 1 e Répartition dans l'hydrogène naturel 1 : 10 -4 : 10 -15 HH

Longueur de liaison: 74 pm

Energie de liaison: 436 kJ/mol

Elément

chimiqueConfiguration

électroniqueAbondance

terrestreOccurrence naturelle Découverte H1s 1

0.9 % H

2 O et organiquesR. Boyle, 1671

H. Cavendish, 1776

A. Lavoisier, 1783

(1 pm = 10 -12 m, 1 Å = 100 pm) 5

L'hydrogène : propriétés et composés

L'hydrogène moléculaire peut être décomposé thermiquement en hydrogène atomique. Il

peut réagir comme réducteur (avec les non-métaux) ou comme oxydant (avec les métaux). H 2(g) 2 H (g) H 2 + ½ O 2 H 2 O H 2 + 2 Li 2 LiH

Etat d'oxydation: H (+1)

Etat d'oxydation: H (-1)

Composés moléculaires

Hydrures ioniques

Exemples: CH

4 , NH 3 , H 2 O, HF

Exemples: LiH, NaH, CaH

2 H C H H H N H H H O H H HF réseau cristallin formé de Li et H (type NaCl) 6

L'hydrogène : production et utilisation

L'hydrogène moléculaire est synthétisé soit àpartir de l'eau soit à partir du pétrole. La pro-

duction mondiale annuelle est estimée à 300 millions de tonnes. Il est utilisé principalement

pour la synthèse de l'ammoniac et du méthanol. CH 4 + H 2 O3 H 2 + CO

Craquage du gaz naturel

300 °C

2 C n H 2n+2 + O 2

2(n+1) H

2 + 2n CO

200 °C

Oxydation partielle du pétrole

2 H 2 O2H 2 + O 2

électrolyse

2 NaCl + 2 H

2 OH 2 + Cl 2 + 2 NaOH

électrolyse

Procédés électrolytiques (6 %)Procédés pétrochimiques (> 90 %)

Applications synthétiques (> 60 %)

N 2 + 3 H 2 2NH 3 catalyseur

CO + 2 H

2 CH 3 OH catalyseur

Electrolyse de l'eau

Electrolyse chlore-alcali

Procédé selon Haber-Bosch

Procédé selon Mittasch

7

Les eaux naturelles

Les trois quart de la surface terrestre sont recouverts d'eau. Outre H 2

O liquide, on trouve

aussi H 2

O solide (calottes polaires, glaciers) et H

2

O gazeux (atmosphère humide). L'éva-

poration et la précipitation de l'eau constituent le cycle hydrolytique de la terre.

Ions principaux :Na

, K , Mg 2+ ,Ca 2+ , Cl , SO 42-
; Gaz principaux : CO 2 , O 2 Propriétés physiques de l'eau entraînant des conséquences environmentales L'eau liquide est plus dense que la glace, raison pour laquelle l'eau se dilate en gélant.

L'eau possède une grande masse volumique, raison pour laquelle les hydrocarbures flottent à sa surface.

L'eau a une capacité calorifique et une chaleur de vaporisation élevées, raison pour laquelle les plans

d'eau ont tendance à modérer les variations de température. Substances présentes dans l'eau de mer (salinité moyenne 3.5%) :

Ions principaux : Na

, K , Mg 2+ ,Ca 2+ , Fe 2+ , Cl , SO 42-
, HCO 3- ; Gaz principaux : CO 2 , O 2 Substances présentes dans l'eau douce (salinité moyenne < 0.1%) : Les pluies acides (pH < 5.6) : Sources acides principales : H 2 SO 4 (émissions de SO 2 ) et HNO 3 (émissions de NO et NO 2 Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4(s) + 6 H 3 O +(aq) 2 Al

3+(aq)

+ 2 SiO 2(s) + 11 H 2 O (l) Conséquence : Acidification des eaux superficielles et des terreaux argile sable 8

Les gaz nobles : généralités

Les gaz nobles(gaz rares)englobent les éléments de la 8

ème

colonne principale (dénomination classique) ou de la 18

ème

colonne (dénomination IUPAC) du tab- leau périodique. Ce sont les seuls éléments à exister sous forme atomique dans les conditions normales.

Élément

chimique Configuration

électroniqueAbondance

terrestreOccurrence naturelle DécouverteHe 1s 2 doublet7.2 · 10 -5 %composant mino- ritaire dans l'airW. Ramsay, 1895 Ne 2s 2 2p 6 octet1.3 · 10 -3 %composant mino- ritaire dans l'airW. Ramsay, 1898 Ar 3s 2 3p 6 (3d 0 octet (extensible)1.3 %composant mino- ritaire dans l'airJ. W. Rayleigh

W. Ramsay, 1894

Kr 4s 2 4p 6 (4d 0 octet (extensible)2.9 · 10 -4 %composant mino- ritaire dans l'airW. Ramsay, 1898 Xe 5s 2 5p 6 (5d 0 octet (extensible)3.6 · 10 -6 %composant mino- ritaire dans l'airW. Ramsay, 1898 Rn 5s 2 5p 6 (5d 0 octet (extensible)4.6 · 10 -17 %trace dans la lithospshèreF. E. Dorn, F. Soddy

E. Rutherford, 1900

9

Les gaz nobles : utilisation des corps simples

L'argon (le seul des gaz nobles qui n'estpas rare) est utilisé en gande quantité. L'hélium et le néon sont aussi largement utilisés, mais le krypton, le xénon et le radon n'ont pas d'applications particulières à cause de leur prix élevé.

ElémentEbullition

FusionUtilisationHe

-269 °C -272 °CCryogénie (résonnance magnétique nucléaire), gaz vecteur (chromatographie), gaz porteur (dirigeables et ballons) Ne -246 °C -249 °CTechniques d'éclairage (enseignes lumineuses, tubes néon) Ar -186 °C -189 °CGaz de protection, atmosphère inerte, soudage Kr -154 °C -157 °CTechniques d'éclairage (laser, lampes à éclair) Xe -108 °C -119 °CTechniques d'éclairage (laser, lampes à éclair) Rn -61 °C -71 °CRadiothérapie (traitement des tumeurs malignes) 10

Les gaz nobles: réactivité

L'idée de l'inertie des gaz nobles est tombée dans les années 1960 par la synthèse des composés du xénon. Des composés du Kr, Rn et Ar sont également connus. XeF 4

Xe + F

2 XeF 2

400 °C, 1 bar

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