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R. LEHOUCQ ETJ.-P. UZAN

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Les Žquations de Maxwell. De MacCullagh ˆ Lorentz A. B

ARBEROUSSE

La mŽcanique statistique. De Clausius ˆ Gibbs M. B LAY La science du mouvement. De GalilŽe ˆ Lagrange

SchŽmas: Laurent Blondel/CorŽdoc

4108_00_p001_002 9/01/06 12:01 Page 2

Avant-propos

Cet ouvrage a ÈtÈ ÈlaborÈ ‡ líintention des Ètudiants prÈparant le concours du CAPES de

Physique et Chimie. Mais, par son contenu et sa conception, il sera Ègalement trËs utile

aux candidats prÈparant líagrÈgation interne ou líagrÈgation externe de physique ainsi

quíaux Ètudiants des premiers cycles scientiques universitaires (DEUG, IUT.. . )

Parmi les nouvelles universitÈs de líAcadÈmie de Versailles crÈÈes en 1991, líUniversitÈ

dí...vry-Val díEssonne a ÈtÈ la premiËre ‡ proposer aux Ètudiants, dËs 1992, une prÈpa-

ration au concours du CAPES de Physique et Chimie en collaboration avec líIUFM de líAcadÈmie de Versailles. Une jeune Èquipe, constituÈe díenseignants de chimie de

líUniversitÈ, de líIUFM et díagrÈgÈs de líenseignement secondaire, síest considÈrable-

ment investie dans cette t'che. Ce sont trois enseignants de cette Èquipe pÈdagogique

qui ont ÈlaborÈ cet ouvrage, mettant ‡ prot onze annÈes díexpÈrience concrÈtisÈes par

díexcellents rÈsultats au concours national du CAPES.

Ce livre, fruit díune rÈexion en interaction avec les rÈactions des Ètudiants de la prÈpara-

tiondí...vry-ValdíEssonne,couvrel"ensembleduprogrammedu concours. Introduisant

díabord les outils de bases (structure et propriÈtÈs des atomes et liaison chimique), il entre

successivement les aspects fondamentaux de la thermochimie et de la cinÈtique, puis les divers Èquilibres chimiques, pour terminer par les synthËses organiques et les applications industrielles (pÈtrochimie, engrais, grandes synthËses minÈrales, ...). Un dernier chapitre prÈsente les principales techniques de contrÙle et de caractÈrisation, indispensables pour suivre les transformations chimiques. Les auteurs ont choisi une prÈsentation claire et une pÈdagogie pragmatique adaptÈes ‡ líobjectif du concours. Desrésumésdecoursrappellent les notions essentielles et sont accompagnÈs de nombreux exercices extraits des annales des concours de CAPES

ou díagrÈgation.Les exercices sont judicieusement accompagnés de corrigés détaillés

permettantà l"étudiantdes"entraînerpourleconcourset des"auto-évaluer.

Pierre Garnier

Professeur de Chimie

‡ líUniversitÈ dí...vry-Val díEssonne. 3 4

Sommaire

1.Atomistique(S.Bach)................................................... 7

2.Classication pÈriodiquedesÈlÈments. PÈriodicitÈdespropriÈtÈs(S. Bach). 23

3.La liaison chimique. Orbitales molÈculaireset hybridation(S.Bach)....... 35

4.Structurescristallines(S.Bach).......................................... 57

5.Lescomplexes desmÈtauxdetransition(S.Bach).......................... 75

6.Thermochimie(F.Buet/G.Volet)........................................ 87

7.La cinÈtiquechimique(F.Buet).......................................... 165

ThËme3 :transformationschimiquesdelamatiËre

PartieA:Èquilibreschimiques

8....quilibres acides-bases(F.Buet)......................................... 217

9.LesrÈactionsdíoxydorÈduction(F.Buet).................................. 293

10....quilibres decomplexation(F.Buet).................................... 389

11....quilibres deprÈcipitation(F.Buet).................................... 425

12.Les molÈculesorganiques(G.Volet).................................... 463

13.Leshydrocarbures(G.Volet)........................................... 505

14.Les composÈshalogÈnÈs(G.Volet)...................................... 557

15.Les composÈsoxygÈnÈs(G.Volet)....................................... 577

16.LescomposÈsazotÈs(G.Volet)......................................... 637

17.Les polymËres(G.Volet)............................................... 683

5

18.Chimie industrielle(F.Buet/G.Volet)................................... 719

19.Les outilsdemesureet d'analyse(G.Volet).............................. 747

A.Nomenclaturedescomposés inorganiques(F.Buet)....................... 785 Index...................................................................... 796 6

Chapitre1

Atomistique

¿ líissue de ce chapitre, il síagit pour líÈtudiant de connaÓtre les constituants de

líatome (protons, neutrons et Èlectrons) et le phÈnomËne de la radioactivitÈ. Il faut Ègalement savoir identier les diffÈrentes orbitales atomiques,s,petden termes de nombres quantiquesn, etm et appliquer la rËgle de remplissage Èlectronique de Klechkowski, le principe de Pauli et la rËgle de Hund.

1. États et constituants de la matière..............................................8

1.1. Àl"échellemacroscopique :les étatsdelamatière...................................8

1.4. À l"échellesubatomique :électrons,protons,neutrons..............................8

2. Lenoyau......................................................................9

2.1. Cohésiondunoyau. Énergie deliaison.............................................9

2.2. Laradioactivité.................................................................10

3. Les électrons .................................................................12

3.1. Casdel"atomed"hydrogène......................................................12

3.2. Orbitales.......................................................................14

3.3. Atomespolyélectroniques.......................................................15

1. ATOMISTIQUE7

INTRODUCTION

John Dalton (1766-1844) fut le premier chimiste ‡ utiliser le terme ´ atome ª dans son ouvrage intitulÈ ´ ThÈorie atomique ª publiÈe en 1803.

Líatome est la plus petite unitÈ de matiËre qui garde son identitÈ en tant quíÈlÈment

chimique. Le mot atome vient du mot grecatomos, insÈcable. Nous líavons conservÈ en dÈpit du fait que nous savons aujourdíhui quíun atome se compose de particules encore plus petites.

1. ÉTATS ET CONSTITUANTS DE LA MATIÈRE

1.1. ¿ líÈchelle macroscopique : les Ètats de la matiËre

On identie trois Ètats de la matiËre caractÈrisÈs par leur densitÈ : solide, liquide, gazeux.

Une autre approche consiste ‡ examiner les Ètats de la matiËre selon son degrÈ díorgani-

sation : líÈtat ordonnÈ et líÈtat dÈsordonnÈ. ...tatGazLiquideSolide (Verre)Solide (Cristal)

DensitÈPeu denseDenseDenseDense

1.2. Du millimËtre ‡ quelques angstrˆms

Les microscopes optiques et Èlectroniques montrent la prÈsence ´ díagrÈgats ª : cristaux

(de quelques millimËtres au micromËtre environ) et molÈcules (quelques ≈ ‡ quelques

milliers dí≈). Exemples : cristal de silicium, NH 3 , macromolÈcules.

1.3. ¿ líÈchelle de líangstrˆms

Certaines techniques de microscopie ‡ forte rÈsolution (microscopie Èlectronique ‡ trans-

mission, microscopie ‡ effet tunnel) permettent de ´ voir ª les atomes qui sont pour les MalgrÈ son nom, líatome níest pas insÈcable.

1.4. ¿ líÈchelle subatomique : Èlectrons, protons, neutrons

Il existe essentiellementdeux types de particules ÈlÈmentaires: leshadronset lesleptons. Lesprotonset lesneutronssont des hadrons (du grechadros, fort). Neutrons et protons

sont appelÈsnuclÈonset ne peuvent Ítre observÈs quíindirectement par des expÈriences

de collisions. 8

ParticuleSymboleMasseChargeélectrique

Proton

11 p1,6724·10 kg1,60219·10 C

Neutron

1 0 n1,6747·10 kg ...lectron 0 e9,110·10 kgŠ1,60219·10 C représentation symbolique des trois isotopes de l'élément hydrogène représentation symbolique des trois isotopes de l'élément héliumZ = 1 N = 0

A = Z + N = 1Z = 1

N = 1

A = Z + N = 2Z = 1

N = 2

A = Z + N = 3

Z = 2 N = 1

A = Z + N = 3Z = 2

N = 2

A = Z + N = 4Z = 2

N = 4

A = Z + N = 6

Un atome est notÈ

AZ

X.Xest lesym-

bolechimiquede líÈdice atomique. Il est reprÈsentÈ par une ou deux lettres.Zest le numéro atomiquede líÈlÈment :nombre de protons.Aest lenombre de masse: nombre de nuclÈon. Dans le cas díun ion, sant ‡ droite du symboleX.

Le symboleXseul dÈsigne líÈlÈment en

gÈnÈral. Pour dÈsigner un isotope particu- noyau en indiquant le nombreNde neu- trons prÈsents. Dans la pratique ce níest toutefois pasNqui est indiquÈ mais la sommeA =Z1N.

Exemple :isotopes de líhydrogËne et de

líhÈlium.

2. LE NOYAU

2.1. Cohésion du noyau. Énergie de liaison

On considËre la rÈaction de formation de líhÈlium He : 2( 11 p)12( 1 0 n)? 4 2 He

ñ Bilan en masse des rÈactifs :

231,67252

·10

1231,67482·10

=6,69468·10 kg

ñ Bilan en masse du produit :

4,0019

·10

6,023·10

23
=6,6436·10 kg

On constate un dÈfaut de masse : 6,69468

·10

Š6,6436·10

=5,03·10 kg. La rÈaction nuclÈaire síaccompagne díune perte de masseDm, encore appelÈedéfaut de masse, qui est la diffÈrence entre la somme des masses des protons et des neutrons et

1. ATOMISTIQUE9

la masse du noyau. Cette perte de masse se retrouve sous forme d'énergieDE=c 2 Dm. DEreprésente l'Ènergiedeliaison. La formation du noyau d'hélium s'accompagne d'une perte d'énergie de 4,5288

·10

Š12

J=28,3 MeV.DEest aussi l'énergie à fournir pour scinder le noyau d'hélium en protons et en neutrons.

Stabilitédes noyaux

E/A (MeV/nuclŽon)

8,8 7,5

50 100 150 200 250

2 H 56
Fe 231
U

Fusion

courbe dÕAstonFission A

On connaît actuellement 331 nucléides,ou

noyaux, naturels dont 284 sont stables. Les autres sont radioactifs, c'est-à-dire qu'ils se décomposent spontanément. On a pu syn- thétiser plus de 1000 nucléides articiels (radioactifs). L'énergie de liaison moyenne E par nucléon est représentée en fonction deAsur la gure ci-contre. Par exemple dans le cas du fer 56, on obtient 8,8 MeV par nucléon et dans le cas de l'uranium 238 on obtient 7,5 MeV.

Exemple:pour

42

He, on a :

E 28,35
4 =7,1 MeV. La courbe montre un maximum vers 9 MeV etA=60 environ. La stabilité est d'autant plus grande que l'énergie moyenne de liaison est élevée. PourA>210 (polonium), tous les nucléides sont radioactifs.

2.2. La radioactivité

DÈnition :Un noyau est dit radioactif s"il émet spontanément des particules. Les noyaux des éléments ordinaires sont stables. Ils ne se transforment pas spontanément les uns en les autres. Il existe cependant des noyaux instables (par exemple l'uranium). Ces noyaux émettent spontanément des particules appeléesradiations. Le processus d'émission de radiations s'appelle ladÈsintÈgrationradioactive. On distingue trois types

de radioactivité nommés alpha, béta et gamma. L'énergie libérée par la radioactivité

résulte d'une conversion de masse. En effet, la somme des masses des produits d'une

désintégration radioactive est inférieure à celle du noyau dont ils sont issus. La différence

a été convertie en énergie suivant la relationDE =c 2

Dm. Cette énergie est associée au

rayonnement radioactif. 10 €...missiona:il y a Èmission díun noyau díhÈlium 42
He. ...lÈmentX ...lÈmentY1Particulea AZ X

AŠ4

Z Š2 X1 42
He

Exemple:

23290
Th 42
He1 22888
Ra

Thorium 232 (142n190p)

a(2n12p)1Radium 228 (140n188p) €...missionb :lorsqueN b ). Il y a une conversion interne au noyau qui crÈe líÈlectron ‡ Èjecter : neutron proton1Èlectron 10 n 1 1 p1 0 Š1 e ...lÈmentX ...lÈmentY1Èlectron AZ X AZ11 Y1 0 Š1 e

Exemple:

146
C 0 Š1 e1 147
N

En mÍme temps que la particuleb

, le noyau Èmet une autre particule non chargÈe que líon suppose sans masse au repos et qui peut traverser toute matiËre sans laisser de trace

(de rares traces dans des expÈriences ‡ haut ux de neutrinos). Si la particule Èmise est un

Èlectron (b

), le noyau Èmet aussi unantineutrino. Dans le cas de líÈmissionb 1 ,cíest unneutrino. €...missionb 1 : il síagit en quelque sorte du phÈnomËne ´ inverse ª du prÈcÈdent. Cette forme de radioactivitÈ concerne les isotopes instables pour lesquels le nombre de protons est plus grand que celui des neutrons (NLe positron est líantiparticule de líÈlectron, il possËde une mÍme masse mais une charge

opposÈe ‡ celui-ci. proton neutron1positron 11 p 1 0 n1 01 e ...lÈmentX ...lÈmentY1positron AZ X A Z Š1 Y1 01 e

€Rayonnementg: en gÈnÈral, le noyau ´ ls ª B est dans un Ètat excitÈ (notÈ par *). Il y a

ensuite dÈsexcitation du noyau B (au bout díun temps pouvant aller de 10

Š10

s ‡ plusieurs

annÈes). Le passage de líÈtat excitÈ ‡ líÈtat díÈnergie infÈrieure síeffectue par líÈmission

1. ATOMISTIQUE11

d'un photong. Il n'y a modication ni deZni deA.

Noyau A

Noyau B

1aoub

Noyau B

Noyau B1hn(photong)

ÄLoi de la désintégration radioactive:ellenedépendnidelatempératureTni duquotesdbs_dbs8.pdfusesText_14