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R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Cours TREMPLIN Chimie [email protected] 1 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Présentation de l’UE Cours Cf plan Travaux dirigés Prévoir une calculatrice et un ordinateur avec un tableur Exemples et application directe du cours Travaux Pratiques (3h de préparation en TD + 3x2h de TP) Prévoir une blouse TP sur les dosages en solution (CR notés) MCC 2 Ecrits (E1, E2 /20) + 2 interros (I1, I2) + 1 note TP (TP/20) N = (E1 + 0,5I1 + E2 + 0,5 I2 + TP)/4 2 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Chimie Inorganique (24h) Chimie Organique (15h) Chapitre 1. Chapitre 1. Constitution de la matière Isomérie Chapitre 2. Chapitre 2. La nomenclature en chimie inorganique Fonctions principales Chapitre 3. La réaction chimique Chimie expérimentale (3h + 6h TP) Chapitre 4. Savoir-faire expérimental et sécurité en Réactions acido-basiques chimie Chapitre 5. Réactions acide-base, dosage de la Réactions d’oxydo-réduction vitamine C Chapitre 6. Réactions d’oxydo-réduction, dosage du fer Dosages en solution pH-métrie, dosage de la soude 3 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Chapitre I Constitution de la matière 4 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique 5 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique En se basant sur le spectre de l’atome d’hydrogène, Bohr propose en 1913 un modèle dans lequel l’énergie de l’électron est quantifiée. Elle ne peut prendre que certaines valeurs, appelées niveaux d’énergie. A chacune des valeurs d’énergie que peut prendre un électron correspond une trajectoire circulaire stable de rayon proportionnel à leur énergie. Niels Bohr 1885-1962 Physicien danois prix Nobel de physique 1922 10-10 m 10-15 m (= 0,1 nm ou 1 Å) 6 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Le noyau est lui-même formé de nucléons c’est à dire de protons, chargés positivement et de neutrons électriquement neutres Particule Symbole Charge (C) Masse (kg) Electron e- qe = -1,602.10-19 me = 9,109.10-31 Proton p qp = + 1,602.10-19 mp = 1,673.10-27 Neutron n qn = 0 mn = 1,675.10-27 7 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique 8 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Exemple : le carbone 9 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Les ions Anions : l’atome capte un ou plusieurs électrons e- Exemple du fluor (9 protons, 10 neutrons et 9 électrons) - - Atome neutre (9 p+ et 9 e-) Atome chargé - (9 p+ et 10 e-) ∶ → → 10 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Les ions Cations : l’atome perd un ou plusieurs électrons e- Exemple du magnésium (12 protons, 12 neutrons et 12 électrons) - ! - Atome neutre (12 p+ et 12 e-) Atome chargé 2+ (12 p+ et 10 e-) ∶ → Mg 2e → 11 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique La classification périodique des éléments chimiques La plus connue est celle de Mendéléiev (1871). Les éléments connus y étaient classés par ordre de masse atomique croissante dans des cases où il a eu le génie de laisser des Dimitri Ivanovitch Mendéléiev places vides car il pensait que l’élément né à Tobolska en Sibérie 1834-1907 était encore inconnu. 12 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Tableau périodique de Mendéléiev (1869) Ga Sc Ge Les éléments de propriétés chimiques voisines sont dans une même colonne appelée groupe ou famille Les lignes horizontales sont appelées périodes Eléments manquants découverts durant la vie de Mendéléiev 13 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Classification actuelle 114 éléments dont 90 d’origine naturelle. Les autres ont été produits artificiellement. bloc s s1 s2 Z=1 bloc p Z=2 K p1 p2 p3 p4 p5 p6 Z=3 Z=4 Z=5 Z=6 Z=7 Z=8 Z=9 … L bloc d M d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 N O P * Q ** bloc f f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f 10 f 11 f 12 f 13 f 14 *4f → ** 5f → 14 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Les différentes familles d’éléments chimiques Z Gaz rares X Non-métaux Halogènes Métaux Métalloïdes 15 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Les différentes familles d’éléments chimiques Gaz rares Non-métaux Halogènes Alcalino-terreux Métaux Alcalins Métaux de transition Métalloïdes Lanthanides Actinides 16 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Les isotopes On appelle isotopes les nucléides partageant le même nombre de protons, mais ayant un nombre de neutrons différent. Autrement dit, si l'on considère deux nucléides dont les nombres de protons sont Z et Z', et les nombres de neutrons N et N', ces nucléides sont dits isotopes si Z = Z' et N ≠ N'. 17 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Ensemble des nucléides connus (dont 254 stables retrouvés à l’état naturel sur Terre) Z Extrait : 18 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Structure électronique des atomes Chaque atome possède une structure électronique propre organisée en couches et sous-couches (comme les couches d’un oignon) dans lesquelles se répartissent les électrons. Les couches sont nommées par des lettres majuscules de K à Q (7 couches) Les sous-couches (4 types) sont nommées par des lettres minuscules s (2e-), p (6e-), d (10e-) et f (14e-). s p d f Voici la structure du « parking à K électrons » et son ordre de L Remplissage (énergie croissante). M Chaque « case quantique » N possède 2 électrons O (spin + ou - de l’électron P noté ↑ ou ↓). Q 19 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Structure électronique des atomes Le tableau périodique obéit aux mêmes règles. On peut ainsi facilement « lire » la configuration électronique d’un atome à partir de sa position dans le tableau périodique en « comptant » 1 e- par case. Exemple : le carbone #" dont Z = 6 aura pour configuration (K)2 (L)4 (K)2 C (L)4 20 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Structure électronique des atomes Le tableau périodique obéit aux mêmes règles. On peut ainsi facilement « lire » la configuration électronique d’un atome à partir de sa position dans le tableau périodique en « comptant » 1 e- par case. Exemple : le calcium !$ $" dont Z = 20 aura pour configuration (K)2 (L)8 (M)8 (N)2 (K)2 (L)8 (M)8 (N)2 21 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Structure électronique des atomes La représentation de LEWIS permet de visualiser uniquement les électrons des couches externes qui sont impliqués dans les réactions chimiques. Exemple : le carbone #" dont Z = 6 a pour configuration (K)2 (L)4 avec (L)4 comme couche externe donc quatre électrons dits de valence. Les électrons célibataires sont représentés par un point et ceux regroupés par 2 forment des doublets représentés par un trait. K K(1) K(2) L L(1) L(2) L(3) L(4) L(5) L(6) L(7) L(8) M M(1) M(2) M(3) M(4) M(5) M(6) M(7) M(8) 22 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Stabilité des atomes Tous les atomes isolés cherchent à acquérir une configuration électronique stable (= énergétiquement faible). Ceci est réalisé grâce à des échanges d’électrons entre atomes = formation de liaisons chimiques ! Ces échanges suivent des règles : les règles du duet et de l'octet « Un atome cherche à acquérir la configuration du gaz rare qui lui est le plus proche » Pour réaliser cet objectif, il peut y avoir transfert d'électrons avec d'autres atomes (ionisation = formation des ions) mais il peut également y avoir partage d'un ou de plusieurs électrons externes avec d'autres atomes. Dans une liaison covalente entre deux atomes, chaque atome met en commun un électron. Ainsi, les deux électrons de la liaison appartiennent à chacun des atomes liés. 23 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Règles du duet et de l’octet Règles du duet : l’hydrogène cherche à acquérir la configuration de l’hélium (1 doublet (K)2). Il ne peut donc former qu’une liaison simple (comme Li). Règle de l’octet : les autres atomes des lignes L et M cherchent à acquérir la configuration du néon (L)8 ou de l’argon (M)8. 24 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Formation des molécules Lors de la formation de molécules à partir d'atomes isolés, on commence par définir la structure électronique de chaque atome. Une fois les couches externes identifiées, il faut définir le nombre d'électrons manquants pour que chaque atome respecte la règle du duet ou de l'octet. Le nombre d'électrons manquants correspond ainsi au nombre de liaisons que l'atome doit faire pour respecter ces règles 25 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Formation des molécules Exemple ► Le chlore Cl a pour noyau &'%" Cet atome est constitué de Z = 17 protons donc 17 électrons. Son noyau contient également 18 neutrons car son nombre de nucléons est : A = 35. La répartition électronique est donc : (K)2 (L)8 (M)7. La couche externe est la couche M : elle contient 7 électrons périphériques. D'après la règle de l'octet, le chlore doit saturer sa couche externe pour obtenir la configuration externe du gaz rare le plus proche à savoir l'argon de noyau : !$*() qui contient 18 protons donc 18 électrons soit une répartition (K)2 (L)8 (M)8. L'atome de chlore doit donc gagner un électron. Il doit donc former 1 liaison covalente dans une molécule pour être stable (comme le fluor F). Cl + F Cl F FCl 26 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Formation des molécules Exemple ► Le carbone C a pour noyau #" Cet atome est constitué de Z = 6 protons donc 6 électrons. Son noyau contient également 6 neutrons car son nombre de nucléons est : A = 12. La répartition électronique est donc : (K)2 (L)2. La couche externe est la couche L : elle contient 2 électrons périphériques. D'après la règle de l'octet, le carbone doit saturer sa couche externe pour obtenir la configuration externe du gaz rare le plus proche à savoir le néon de noyau : $ $ qui contient 10 protons donc 10 électrons soit une répartition (K)2 (L)8. L'atome de carbone doit donc gagner 4 électrons. Il doit donc former 4 liaisons covalentes dans une molécule pour être stable. H C + H (x4) H C H CH4 H 27 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique Formation des molécules Lors de la formation de molécules à partir d’ions, ces derniers sont seulement attirés par les forces électrostatiques et ne partagent pas leurs électrons. Dans ce cas, il suffit de respecter l’adéquation entre le nombre de charges des cations, celui des anions et de la charge globale de la molécule. Exemples : La molécule de CaSO4 provient de la combinaison d’un cation calcium Ca2+ avec un anion sulfate SO42-. La somme des charges est bien nulle. La molécule H2PO4- (aussi notée + ,-! de charge globale -1) provient de la combinaison de 2 cations H+ et d’un anion phosphate PO43-. La somme vaut bien -1. 28 R. Boulesteix, cours TREMPLIN, 2020-21 Chimie inorganique TD : Exercices 1 à 5 29
