jeudi 15 janvier 2015 CHIMIE PCSI Devoir Surveillé n°3, Dissertation de Chimie

Télécharge jeudi 15 janvier 2015 CHIMIE PCSI Devoir Surveillé n°3 et plus Dissertation au format PDF de Chimie sur Docsity uniquement!   1     jeudi  15  janvier  2015       CHIMIE    PCSI     Devoir  Surveillé  n°3     Durée  du  devoir  :  1  heure  45     L’utilisation de la calculatrice est autorisée      Les  exercices   sont   indépendants,   et  peuvent  être   traités  dans  un  ordre  quelconque.   Beaucoup   de   questions   sont   totalement   indépendantes   les   unes   des   autres   dans   un   même  exercice.      Rendez   des   copies   propres,   lisibles,   et   dans   lesquelles   les   numéros   des   questions   seront  bien  reportés.     Un  résultat  qui  ne  sera  pas  entouré  ou  souligné  sera  ignoré  par  le  correcteur…     Il  n’est  absolument  pas  nécessaire  de  tout  traiter  pour  rendre  une  bonne  copie  !         2   Exercice  1  :  QCM  et  petites  questions      20  min   1) Associer  l’élément  chimique  à  sa  famille.     Fluor  F  Z  =  9         Gaz  rares   Potassium  Z=19         Alcalino-­‐terreux   Argon  Ar  Z  =  18         Halogènes   Calcium  Ca  Z  =  20         Chalcogènes   Sélénium  Se  Z  =  34         Alcalins     2) Laquelle  de  ces  molécules  ou  ions  est  linéaire  ?  Données  :  1H  ;6C  ;7N  ;8O  ;16S     CO2      H2O      SO2      NH2-­‐        3) Laquelle  de  ces  molécules  est  un  acide  de  Lewis?  Données  :  1H  ;5B  ;7N  ;8O  ;9F  ;I  est   un  halogène.     NH3      SO3      BF3      PI3          4) Sur  cet  ion,  tous  les  doublets  sont  représentés  mais  aucune  charge  formelle  n’est   précisée  :  calculer  la  charge  formelle  portée  par  les  atomes  (dans  le  cas  où  elle  est   non  nulle).  On  précise  que  les  numéros  atomiques  sont  1  pour  H,  6  pour  C,  7  pour  N   et  8  pour  O.           Exercice  2  :  du  bore  à  Bohr      30  min   L’élément Le  bore,  symbole  chimique  B,  désigne  l’élément  chimique  de  numéro  atomique  Z  =  5.   1) Ecrire  la  configuration  électronique  fondamentale  de  l’atome  de  bore.     O O NCH H   5     Exercice  3  :  Autour  de  l’Arsenic      40  min   Arsenic  et  vieilles  dentelles…   Le mot arsenic vient du grec « arsenikos » qui veut dire « mâle ». A l’instar d’Aristote, les anciens pensaient que le monde minéral était vivant et qu’il suivait par conséquent les mêmes lois que le monde animal ou végétal; ainsi, il y avait des éléments « femelles » comme le cuivre et des éléments « mâles » comme l’arsenic. A l’état naturel, on le trouve essentiellement sous forme de sulfures qui ont été utilisés dès l’Antiquité comme pigments de coloration avant que l’on découvre les propriétés toxiques de ses oxydes et, à partir des XIIe et XIIIe siècles, on en fabriquera des poisons. Ce sont d’ailleurs surtout des femmes qui vont « manipuler » cet élément « mâle » à des fins criminelles. Elles préfèrent le poison à l’arme à feu ou à l’arme blanche pour éliminer une rivale, un amant devenu « encombrant » ou un proche parent pour accéder à son héritage. Certaines préparations ou décoctions à base d’arsenic sont restées célèbres : l’aqua Toffana du nom de cette italienne qui aurait empoisonné plusieurs centaines de personnes dont deux papes, « la poudre de succession » utilisée dans l’« affaire des poisons » qui eut un très grand retentissement sous le règne de Louis XIV et faillit l’éclabousser lui-même. L’exécution de la marquise de Brinvilliers en 1676 fut suivie de trente-quatre autres condamnations entre 1679 et 1682. L’Arsenic, de symbole As a probablement été isolé au 13ème siècle par Albertus Magnus, scientifique, philosophe et théologien allemand. L'élément pur peut être facilement préparé par chauffage d'un minerai, l'arsénopyrite (FeAsS), ou mispickel. Les autres minerais courants sont le réalgar (As2S2), orangé, et l'orpiment jaune citron (As2S3).   Actuellement, le terme arsenic désigne également l'un des composés les plus importants de l'arsenic, l'anhydride arsénieux, de formule As2O3, poison violent. L'arsenic en lui-même est peu utilisé. Par contre, ses composés ont d'importantes utilisations, en particulier en médecine. Par exemple, l'anhydride arsénieux As2O3 est utilisé dans la dévitalisation des dents et pour faciliter les pulpectomies (en très faible quantité donc !). Dans l’industrie, il sert également à blanchir le verre. On le trouve également dans les poisons, tels que la mort-aux-rats. Le trisulfure (As2S3), ou orpiment, est utilisé comme pigment jaune dans les peintures. Les arséniates de plomb ont été utilisés comme insecticides. L’élément As Le  texte  débute  ainsi  : ainsi, il y avait des éléments « femelles » comme le cuivre et des éléments « mâles » comme l’arsenic.     Commençons  par  le  cuivre  :  le  cuivre  a  pour  numéro  atomique  Z  =  29.  Sa  configuration   électronique  fondamentale  est  [Ar]4s13d10,  [Ar]  désignant  la  configuration  de  l’argon.     1) Est-­‐ce   la   configuration   attendue  ?   Si   non,   quelle   est   la   règle   qui   n’est   pas   respectée  ?     2) Quel  est  l’ion  commun  du  cuivre  prévisible  à  partir  de  cette  configuration  ?       De   son   côté,   l’arsenic,   As,   a   un   numéro   atomique   de   Z   =   33.   Tout   comme   le   bore   du   précédent  exercice,  c’est  un  métalloïde.       3) Qu’est  ce  qu’un  métalloïde  ?  Expliquer  brièvement.         6   4) Déterminer  la  configuration  électronique  de  l’arsenic.  Quels  sont  ses  électrons  de   valence  ?  Quelle  est  sa  position  (ligne,  colonne)  dans  la  classification  périodique  ?       Les composés de l’arsenic Il  existe  de  nombreux  composés  moléculaires  de  l’arsenic.  Voici  quelques  exemples  :       AsH3      ;      AsF3    ;    AsO2-­‐    ;    HAsO2    ;    AsO43-­‐    ;    AsF5    ;    AsF6-­‐    ;    CH3AsO(OH)2     Le  numéro  atomique  de  H  est  1,  celui  de  C  est  6,  celui  de  O  est  8  et  celui  de  F  est  9.     L’atome  souligné  et  en  gras,  est  l’atome  central,  tous  les  autres  atomes  autres  que  H  sont   liés  à  cet  atome  central,  les  atomes  H  sont  toujours  liés  à  O,  sauf  dans  CH3  bien  entendu.     5) Pour   chacun   des   composés   ci-­‐dessus   donner   un   schéma   de   Lewis.  On   rappelle   qu’un  schéma  de  Lewis  n’est  juste  que  s’il  fait  apparaître  tous  les  doublets,  libres  et   liants,  ainsi  que  les  charges  formelles.       6) Plusieurs   formules   mésomères   peuvent   décrire   l’ion   arséniate   AsO43-­‐  :   les   dessiner  et  indiquer  quelles  sont  les  plus  représentatives  de  cet  ion.  Dans  cet  ion,   quels  sont  donc  les  atomes  qui  portent  les  charges  négatives.  Quelle  charge  peut-­‐ on  leur  attribuer  dans  l’ion  réel  ?     7) Discuter  de  la  longueur  des  liaisons  dans  l’ionAsO43-­‐.       8) Préciser  la  géométrie  des  composés  AsH3  ,  AsF3  ,    AsO2-­‐    ,    AsO43-­‐    ,    AsF5    et    AsF6-­‐   en  utilisant   la  méthode  V.S.E.P.R.   (schémas  en   représentation  de  Cram  et  noms   des  géométries).  Indiquer,  en  la  justifiant,  une  valeur  approchée  des  angles  entre   liaisons.   Attention,   on   veillera   bien   à   ne   pas   confondre   figure   de   répulsion   et   géométrie  de  l’édifice.     9)  Les  édifices  AsF3  et  AsF5  existent  :  rencontre-­‐t-­‐on  aussi  les  mêmes  édifices  avec   les  autres  membres  de  la  famille,  N  et  P  ?  Justifier  votre  réponse.     L’espèce  As2O3  est  un  poison  violent.  En  témoignent  les  pictogrammes  que  l’on  peut  lire   sur  l’étiquette  des  flacons  de  ce  produit.     10)  Rappeler  brièvement  le  sens  de  chacun  de  ces  pictogrammes.         11)  Rappeler  la  définition  de  l’électronégativité  χ  d’un  élément.     12)  Rappeler   comment   varie   l’électronégativité   d’un   élément   dans   la   classification.   Indiquer  clairement  quel  est  l’élément  le  plus  électronégatif  :  O  ou  As  ?       7   Description de l’atome dans un modèle quantique Dans   un   modèle   très   commun   de   l’atome,   appelé   modèle   de   Slater,   un   électron   de   valence   ne   perçoit   pas   le   nombre   de   charge   nucléaire   Z   du   noyau   (Z   est   le   numéro   atomique   et   e   est   la   charge   élémentaire),   mais   un   nombre   un   peu   plus   faible   car   les   autres  électrons  de  l’atome  masquent  en  partie  cette  charge  nucléaire  :  on  dit  qu’ils  font   écran,  l’électron  de  valence  perçoit  une  charge  nucléaire  effective  notée  Z*.e.  Z*  est  le   nombre  de  charge  effectif.  Des  règles  permettent  de  calculer  Z*  :       Z*  =  Z  –  σ   σ  est  appelé  constante  d’écran.     Dans  le  cas  de  l’atome  d’arsenic,  σAs  =  26,70   Dans  le  cas  de  l’ion  As+,  σAs+  =  26,35     Une   valeur   approchée   du   rayon   de   l’atome   ou   de   l’ion,   ρ,   est   alors   donnée   par   la   relation  :  ρ  =  (n*2/Z*).a0  où  a0  est   le  rayon  de   l’atome  de  Bohr  :  a0  =  52,9  pm,  n*  est   le   nombre   quantique   principal   apparent   dont   la   valeur   est   la   suivante   en   fonction   du   nombre  quantique  principal  n  de  l’électron  de  valence  de  l’atome  :     n   1   2   3   4   5   6   n*   1,0   2,0   3,0   3,7   4,0   4,2     13)  Préciser  la  configuration  électronique  de  l’ion  As+.     14)  Calculer  le  rayon  ρ(As)  de  l’atome  d’arsenic  dans  le  modèle  de  Slater  et  calculer   de  même  le  rayon  ρ(As+)  de  l’ion  As+  dans  ce  modèle.  Conclusion  ?     Le  rayon  atomique  de  l’arsenic  est  de  119  pm,  celui  du  phosphore  situé  au  dessus  dans   la  classification  est  de  100  pm.     15)  Que  représente  la  notation  «  pm  »  ?       16) En  utilisant  l’expression  du  rayon  atomique  ci-­‐dessus,  interpréter  la  différence  de   rayon  entre  le  phosphore  et  l’arsenic.       L’énergie   de   première   ionisation   notée   EI1   de   l’arsenic   est   l’énergie   à   fournir   afin   d’arracher  un  électron  à   l’atome  d’arsenic  pour   former   l’ion  As+  :   elle  est   associée  à   la   réaction  As(g)    =  As+(g)  +  e-­‐.   L’énergie   de   seconde   ionisation   notée   EI2   de   l’arsenic   est   l’énergie   à   fournir   afin   d’arracher  un  électron  à   l’ion  As+  pour  former  l’ion  As2+  :  elle  est  associée  à   la  réaction   As+(g)    =  As2+(g)  +  e-­‐.  Et  ainsi  de  suite  :       Associée  à  EI3  :  As2+(g)    =  As3+(g)  +  e-­‐   Associée  à  EI4  :  As3+(g)    =  As4+(g)  +  e-­‐   Associée  à  EI5  :  As4+(g)    =  As5+(g)  +  e-­‐   Associée  à  EI6  :  As5+(g)    =  As6+(g)  +  e-­‐