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CAPES de Sciences physiques

TOME2 - CHIMIE

COURS ET EXERCICES

BELIN

8, rue Férou 75278 Paris cedex 06

www.editions-belin.com BELIN

Chimie

3 e

édition

4108_00_p001_002 9/01/06 12:01 Page 1

DANS LA COLLECTIONBELINSUPSCIENCES

N.BILLY, J.DESBOIS, M.-A.DUVAL, M.ELIAS, P. MONCEAU, A.P

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CAPES de Sciences physiques. Tome 1. Physique, cours et exercices S. A

MIGONI, H. FENSTERBANKet A. GAUCHER

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C. C

OURILLON

Chimie organique, rappels de cours et exercices

J. S MADJA

AbrŽgŽ de Chimie organique

M. G

UYMONT

A. M AUREL

Optique ondulatoire, cours

Optique gŽomŽtrique, cours

A. M

AUREL, J.-M. MALBEC

Optique gŽomŽtrique, rappels de cours et exercices A. M

AURELet G. BOUCHET

Optique ondulatoire, rappels de cours et exercices J. B

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R. LEHOUCQ ETJ.-P. UZAN

Les constantes fondamentales

O. D

ARRIGOL

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

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 kg1,60219·10 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