Atomistique et périodicité

Réponse attendue : A, C

1. A — Vrai. Leur numéro atomique commun Z = 13 fixe l'élément aluminium ; seuls les nombres de neutrons diffèrent : 14 et 13.

2. B — Faux. Pour ²⁶Al, A = 26 compte protons et neutrons. Il y a N = A − Z = 26 − 13 = 13 neutrons.

3. C — Vrai. Le nombre de protons vaut Z = 13 ; le nombre de neutrons vaut A − Z = 27 − 13 = 14. Ces comptages sont des nombres sans unité.

4. D — Faux. La neutralité impose autant d'électrons que de protons : chacun a 13 électrons. Le nombre de masse A dénombre des nucléons, pas les électrons.

5. E — Faux. A = 27 est un dénombrement sans unité des nucléons ; la masse d'un atome est de l'ordre de 27 u, et 27 g représente approximativement une mole d'atomes.

Réponse attendue : A, B, C, D

1. A — Vrai. Numériquement, une masse atomique moyenne de 10,801 u donne une masse molaire d'environ 10,801 g·mol⁻¹ pour le bore naturel.

2. B — Vrai. La proportion 19,9 % représente 0,199 × 1 000 = 199 atomes sur 1 000 dans un échantillon statistiquement représentatif.

3. C — Vrai. On pondère les masses par leurs fractions : 0,199 × 10,0 u + 0,801 × 11,0 u = 10,801 u, soit 10,80 u aux chiffres retenus.

4. D — Vrai. L'isotope le plus abondant est ¹¹B : l'écart à 11,0 u n'est que 0,199 u, tandis que l'écart à 10,0 u vaut 0,801 u.

5. E — Faux. 19,9 % = 19,9/100 = 0,199. Employer 19,9 comme fraction multiplierait abusivement cette contribution par 100.

Réponse attendue : A, B

1. A — Vrai. L'atome neutre en a 26. Former la charge +3 consiste à retirer trois électrons : 26 − 3 = 23 électrons.

2. B — Vrai. Le nombre de neutrons est N = A − Z = 56 − 26 = 30, indépendamment de la charge électronique de l'espèce.

3. C — Faux. Le nombre de masse inscrit en haut à gauche reste A = 56 ; la charge +3 en haut à droite indique une perte de trois électrons.

4. D — Faux. Une ionisation ordinaire change le nombre d'électrons, non le noyau ; Fe et Fe²⁺ gardent chacun 26 protons.

5. E — Faux. Fe²⁺ contient 26 − 2 = 24 électrons et Fe³⁺ en contient 26 − 3 = 23 ; Fe²⁺ en a un de plus.

Réponse attendue : B, C, D

1. A — Faux. Avec M(¹²C) = 12,0 g·mol⁻¹, m = nM = 0,250 mol × 12,0 g·mol⁻¹ = 3,00 g.

2. B — Vrai. Chaque atome de carbone a Z = 6 protons. Multiplier le nombre d'atomes par six donne 9,03 × 10²³ protons environ.

3. C — Vrai. N = nN_A = 0,250 mol × 6,02 × 10²³ mol⁻¹ = 1,505 × 10²³ atomes, soit 1,51 × 10²³.

4. D — Vrai. Le carbone a Z = 6, donc six protons ; la neutralité impose également six électrons dans chaque atome.

5. E — Faux. La mole est une unité de quantité de matière, pas de masse : 1 mol d'entités contient N_A entités spécifiées.

Réponse attendue : B, C, D, E

1. A — Faux. Une orbitale ne peut accueillir que deux électrons de spins opposés. Les quatre électrons 2p occupent nécessairement au moins deux orbitales.

2. B — Vrai. Il faut additionner les populations de toutes les sous-couches : 2 + 2 + 4 = 8 électrons, exactement le numéro atomique Z de l'oxygène neutre.

3. C — Vrai. On place d'abord un électron dans chacune des trois orbitales 2p, puis le quatrième s'apparie dans l'une d'elles : il reste deux électrons non appariés.

4. D — Vrai. O²⁻ a gagné deux électrons : 8 + 2 = 10. L'atome neutre de néon a Z = 10, donc également dix électrons.

5. E — Vrai. La couche externe occupée est n = 2 : on y additionne 2s² et 2p⁴, soit 2 + 4 = 6 électrons de valence.

Réponse attendue : A, D

1. A — Vrai. L'ion a perdu la couche externe 3s ; les électrons restants sont plus fortement attirés et le cation est plus petit que l'atome.

2. B — Faux. Arracher l'électron de valence à Na(g) pour former Na⁺(g) et e⁻ nécessite une énergie d'ionisation positive.

3. C — Faux. Les deux espèces ont dix électrons, mais Na⁺ conserve onze protons alors que Ne en possède dix : ce sont deux éléments distincts.

4. D — Vrai. Na neutre perd l'électron 3s¹ lors de l'ionisation ; il reste dix électrons organisés comme ceux de Ne.

5. E — Faux. L'électron arraché est celui de la sous-couche externe 3s¹ ; retirer d'abord un électron de 2p méconnaît la configuration initiale.

Réponse attendue : A, B, C, E

1. A — Vrai. La couche n = 3 comprend 3s² et 3p³ ; elle contient donc 2 + 3 = 5 électrons de valence, indépendamment de la sous-couche interne [Ne].

2. B — Vrai. Les trois orbitales 3p de même énergie sont occupées chacune par un électron avant appariement, selon la règle de Hund.

3. C — Vrai. La notation 3s² 3p³ montre une occupation de la couche n = 3 ; elle correspond à la troisième période pour cet élément.

4. D — Faux. Pauli interdit trois électrons dans une orbitale et Hund privilégie trois orbitales occupées séparément avant les appariements.

5. E — Vrai. Pour un élément représentatif, la structure de valence ns²np³ compte cinq électrons ; elle correspond au groupe 15.

Réponse attendue : B, C, D

1. A — Faux. Les valeurs possibles de ℓ sont 0, 1 et 2 si n = 3, puisque 0 ≤ ℓ ≤ n − 1 ; 3f n'existe pas.

2. B — Vrai. Pour ℓ = 2, le nombre magnétique m_ℓ parcourt les entiers de −ℓ à +ℓ, soit 2ℓ + 1 = 5 orbitales.

3. C — Vrai. Par convention s correspond à ℓ = 0, p à ℓ = 1 et d à ℓ = 2 ; le chiffre initial donne n = 3.

4. D — Vrai. Il y a cinq orbitales 3d et deux électrons de spins opposés par orbitale au maximum : 5 × 2 = 10 électrons.

5. E — Faux. ℓ = 2 ne donne pas directement le nombre d'orbitales ; celui-ci vaut 2ℓ + 1 = 5 orbitales.

Réponse attendue : A

1. A — Vrai. Les trois premiers nombres quantiques sont identiques pour cette orbitale ; les spins opposés distinguent les deux états permis par Pauli.

2. B — Faux. Pour un électron, m_s prend seulement +1/2 ou −1/2 ; m_s = 0 n'est pas autorisé pour une particule de spin 1/2.

3. C — Faux. Pour ℓ = 1, le nombre magnétique mℓ peut prendre −1, 0 et +1 : il repère trois orbitales 2p distinctes, dont celle mℓ = 0 citée dans l'énoncé.

4. D — Faux. Six électrons est la capacité des trois orbitales 2p réunies ; une orbitale déterminée ne peut en accueillir que deux.

5. E — Faux. Deux électrons d'un même atome ne peuvent avoir les quatre nombres quantiques identiques ; pour cette orbitale, il faut des spins opposés.

Réponse attendue : C, D, E

1. A — Faux. Le nombre total d'électrons serait bien 24, mais la perte porte d'abord sur les deux électrons 4s ; la configuration de base de Fe²⁺ est [Ar]3d⁶.

2. B — Faux. Le nombre de protons reste 26, mais la charge +3 résulte d'une perte de trois électrons ; Fe³⁺ en compte 23.

3. C — Vrai. À partir de Fe neutre, on retire deux électrons 4s et un électron 3d : [Ar]3d⁵ contient 18 + 5 = 23 électrons.

4. D — Vrai. Les cinq orbitales 3d d'un ion libre reçoivent chacune un électron avant appariement ; un complexe peut avoir une autre répartition selon le champ de ligands.

5. E — Vrai. Lors de la formation des cations de métaux de transition à partir de Fe, on retire d'abord les deux électrons 4s, avant ceux de 3d.

Réponse attendue : A, C, E

1. A — Vrai. Mg neutre a douze électrons ; la perte de deux électrons donne dix électrons, sans modifier son numéro atomique Z = 12.

2. B — Faux. Mg possède deux électrons de valence 3s² ; Cl en possède sept, 3s²3p⁵. Être dans la même période ne fixe pas leur nombre.

3. C — Vrai. Mg a [Ne]3s² et Cl a [Ne]3s²3p⁵ ; leur plus grande couche occupée est n = 3, d'où leur place dans la période 3.

4. D — Faux. Une sous-couche p n'accueille que six électrons au maximum. Pour Z = 17, les sept électrons externes sont 3s²3p⁵.

5. E — Vrai. Dans la même période, la tendance générale de l'électronégativité augmente de la gauche vers la droite ; Cl attire davantage un doublet liant.

Réponse attendue : A, B, C, E

1. A — Vrai. Pour deux espèces à dix électrons, la charge nucléaire gouverne l'ordre : F⁻ (Z = 9) est plus étendu que Mg²⁺ (Z = 12).

2. B — Vrai. Les quatre ions ont dix électrons ; O²⁻ a le noyau le moins chargé (Z = 8), donc son nuage électronique est le plus étendu dans le modèle de comparaison retenu.

3. C — Vrai. Les deux ions contiennent dix électrons, mais Mg²⁺ a Z = 12 contre Z = 11 pour Na⁺ : l'attraction nucléaire accrue contracte le nuage.

4. D — Faux. Des isotopes ont le même nombre de protons ; ici Z vaut 8 pour O, 9 pour F, 10 pour Ne, 11 pour Na et 12 pour Mg. Ces espèces sont isoélectroniques, non isotopes.

5. E — Vrai. À dix électrons pour chaque ion, la charge nucléaire croissante renforce l'attraction : le classement décroissant est O²⁻ > F⁻ > Na⁺ > Mg²⁺, selon le même critère de rayon.

Réponse attendue : B, C

1. A — Faux. La charge nucléaire de Mg est plus forte : expérimentalement, E_i1(Mg) est supérieure à E_i1(Na), à configuration externe 3s² contre 3s¹.

2. B — Vrai. Après la première perte, Na⁺ a [Ne] ; la seconde ionisation arrache un électron de la couche interne n = 2 bien plus fortement lié.

3. C — Vrai. Na(g) a la configuration [Ne]3s¹ ; Na(g) → Na⁺(g) + e⁻ enlève cet électron externe.

4. D — Faux. Cette réaction est la deuxième ionisation. La première part de l'atome neutre Na(g) pour donner Na⁺(g).

5. E — Faux. La valeur positive désigne l'énergie à fournir à un atome ou ion gazeux isolé pour retirer un électron, pas une énergie libérée.

Réponse attendue : C, D

1. A — Faux. Une charge partielle n'affecte pas le nombre de protons : H a Z = 1, Cl a Z = 17, et deux isotopes partageraient le même Z.

2. B — Faux. Elle décrit une tendance relative à attirer les électrons d'une liaison ; ce n'est pas une masse et elle ne s'exprime pas en kg.

3. C — Vrai. Le chlore est plus électronégatif que l'hydrogène ; la densité du doublet liant est en moyenne déplacée du côté Cl.

4. D — Vrai. L'électronégativité plus élevée de Cl lui attribue la charge partielle δ−, tandis que H porte δ+ ; ce ne sont pas des charges ioniques entières.

5. E — Faux. Changer l'ordre typographique ne modifie pas les électronégativités : Cl reste δ− et H δ+ ; seules leurs positions sur la ligne changent.

Réponse attendue : A, B, D, E

1. A — Vrai. ΔE_atome = E_final − E_initial = −3,40 − (−1,51) eV = −1,89 eV ; le photon porte +1,89 eV.

2. B — Vrai. E_photon = hc/λ donc λ ≈ (1 240 eV·nm)/(1,89 eV) ≈ 656 nm, longueur d'onde visible rouge.

3. C — Faux. Monter de E₂ à E₃ nécessite d'absorber environ 1,89 eV ; l'émission correspond au trajet descendant.

4. D — Vrai. E₃ = −13,6/9 eV ≈ −1,51 eV et E₂ = −13,6/4 eV = −3,40 eV : le niveau final est plus bas ; l'excédent sort sous forme de photon.

5. E — Vrai. E_photon = E₃ − E₂ = (−1,51) − (−3,40) eV ≈ 1,89 eV, valeur positive.

Réponse attendue : D, E

1. A — Faux. Une longueur d'onde d'environ 122 nm se situe dans l'ultraviolet, nettement en dessous du visible (environ 400 à 800 nm).

2. B — Faux. Par rapport à l'électron libre pris comme origine à E = 0 eV, l'état lié fondamental a E₁ = −13,6 eV.

3. C — Faux. De n = 1 à n = 3, il faut E₃ − E₁ = −13,6/9 − (−13,6) ≈ 12,09 eV ; 10,2 eV correspond à 1 → 2.

4. D — Vrai. La relation λ = hc/E donne λ = 1 240 eV·nm / 10,2 eV ≈ 121,6 nm, soit environ 122 nm dans le vide.

5. E — Vrai. E₂ = −3,4 eV et E₁ = −13,6 eV ; le photon reçoit E₂ − E₁ = 10,2 eV.

Réponse attendue : B, D, E

1. A — Faux. E = hc/λ : doubler λ de 500 à 1 000 nm divise au contraire la fréquence et l'énergie du photon par deux.

2. B — Vrai. E = hν = (6,63 × 10⁻³⁴ J·s)(6,00 × 10¹⁴ s⁻¹) = 3,978 × 10⁻¹⁹ J.

3. C — Faux. Le préfixe nano signifie 10⁻⁹ : 500 nm = 500 × 10⁻⁹ m = 5,00 × 10⁻⁷ m.

4. D — Vrai. La conversion donne E ≈ (3,978 × 10⁻¹⁹ J)/(1,60 × 10⁻¹⁹ J·eV⁻¹) = 2,49 eV.

5. E — Vrai. Convertir λ = 500 nm = 5,00 × 10⁻⁷ m ; ν = c/λ = (3,00 × 10⁸ m·s⁻¹)/(5,00 × 10⁻⁷ m) = 6,00 × 10¹⁴ s⁻¹.

Réponse attendue : A, C, D, E

1. A — Vrai. Dans la couche n = 2, la configuration 2s² 2p² compte 2 + 2 = 4 électrons de valence ; 1s² correspond au cœur.

2. B — Faux. Une telle répartition ne correspond pas à la règle de Hund pour l'état fondamental : des orbitales 2p de même énergie sont remplies séparément d'abord.

3. C — Vrai. Les trois orbitales 2p ont la même énergie dans l'atome isolé ; selon Hund, on les peuple séparément avant d'apparier.

4. D — Vrai. Le carbone fondamental 2p² possède deux électrons non appariés ; leur moment magnétique de spin donne une réponse paramagnétique.

5. E — Vrai. Chaque électron 2p occupe une orbitale différente ; aucun des deux ne forme encore une paire 2p.

Réponse attendue : A, E

1. A — Vrai. Z passe de 6 pour C à 7 pour N ; cette modification nucléaire change l'identité chimique de l'élément.

2. B — Faux. La particule β⁻ est créée par la transformation nucléaire ; il ne s'agit pas d'une ionisation ordinaire d'un électron du cortège.

3. C — Faux. Le noyau fils est de l'azote, Z = 7. Des isotopes du carbone doivent tous conserver Z = 6.

4. D — Faux. Avant : N = A − Z = 14 − 6 = 8 ; après : N = 14 − 7 = 7. Un neutron est transformé en proton ; N diminue de un.

5. E — Vrai. Le noyau initial contient 14 nucléons et le noyau final aussi : le passage β⁻ transforme un neutron en proton sans changer le total A.

Réponse attendue : C, E

1. A — Faux. L'énoncé précise que l'atome reçoit ce photon : l'ionisation est ici provoquée par absorption, suivie du départ de l'électron.

2. B — Faux. L'écart E₂ − E₁ = −3,4 − (−13,6) = 10,2 eV ; dans ce modèle et sans autre interaction, 9,0 eV ne suffit pas pour cette transition.

3. C — Vrai. Le continuum de l'électron libre débute à 0 eV et le niveau initial vaut −13,6 eV ; il faut donc au minimum 0 − (−13,6) = 13,6 eV.

4. D — Faux. L'électron n'est plus lié : en prenant l'énergie de l'électron libre immobile pour origine, le bilan final comprend au moins son énergie cinétique positive.

5. E — Vrai. Le bilan énergétique donne 20,0 eV = 13,6 eV + E_cin ; ainsi E_cin = 6,4 eV si les autres transferts sont négligés.