634 Chapitre 23
Atomes et éléments
Exercices
Exercice 23.1 Carbone
Méthode (23.1)
Le carbone est l’élément chimique de numéro atomique 6. Il est très abondant sur Terre, particulièrement dans la matière organique. Les isotopes connus du carbone sont
11
6 C,
12
6 C,
13
6 C et
14
6 C. Seuls le carbone-12 et le carbone-13 sont présents en quantité notable dans la nature. Le
carbone-12 a été retenu comme isotope pour définir la mole. La masse molaire du carbone est
M = 12,01074 g · mol
−1 .
Le carbone-11 est radioactif ; sa durée de demi-vie est de 20 minutes. Le carbone-14 est aussi
radioactif mais avec une durée de demi-vie de 5730 ans.
1. Préciser les nombres de neutron et de proton dans les quatre isotopes du carbone.
2. Quelle est la masse molaire du carbone-12 ? Estimer celle du carbone-13.
3. Calculer les abondances isotopiques naturelles du carbone-12 et du carbone-13.
4. Donner la configuration électronique du carbone dans son état fondamental. Préciser les électrons de valence.
5. Faire un diagramme énergétique et placer les électrons avec leur état de spin. Pour chaque
orbitale, préciser les valeurs des nombres quantiques.
6. À l’aide des distributions radiales représentées figure 23.6, donner une estimation de la distance
au noyau la plus probable pour les électrons de cœur et pour les électrons de valence. Comparer
et conclure.
Exercice 23.2 Fer
Méthodes (23.1) (23.2)
Le fer, élément de numéro atomique 26, est très abondant sur Terre, surtout dans le noyau de la
planète. Dans la croûte terrestre, il est surtout présent sous forme d’oxydes (Fe 2 O 3 , FeO, Fe 3 O 4 ).
Par exemple la magnétite (Fe 3 O 4 ) est un solide ionique contenant des ions Fe
2+ , Fe
3+ et O
2– .
1. Donner la configuration électronique du fer (Fe) dans l’état fondamental. Préciser les électrons
de valence. Situer le fer dans le tableau périodique des éléments.
2. Faire un diagramme énergétique des orbitales, et placer les électrons avec leur état de spin. On
utilisera le fait que les orbitales 4s et 3d sont presque dégénérées, les orbitales 4s ayant une
énergie légèrement inférieure à celle des orbitales 3d.
3. Pour la configuration électronique de l’ion Fe
3+ dans l’état fondamental, proposer deux possibilités.
4. Expérimentalement, des mesures magnétiques montrent que le spin total de l’ion Fe
3+ , c’est-àdire la somme des nombres quantiques magnétiques de spin de ses électrons, est égal à
5
2 . En
déduire la configuration électronique de cet ion dans l’état fondamental.
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Atomes et éléments
Exercices
Exercice 23.1 Carbone
Méthode (23.1)
Le carbone est l’élément chimique de numéro atomique 6. Il est très abondant sur Terre, particulièrement dans la matière organique. Les isotopes connus du carbone sont
11
6 C,
12
6 C,
13
6 C et
14
6 C. Seuls le carbone-12 et le carbone-13 sont présents en quantité notable dans la nature. Le
carbone-12 a été retenu comme isotope pour définir la mole. La masse molaire du carbone est
M = 12,01074 g · mol
−1 .
Le carbone-11 est radioactif ; sa durée de demi-vie est de 20 minutes. Le carbone-14 est aussi
radioactif mais avec une durée de demi-vie de 5730 ans.
1. Préciser les nombres de neutron et de proton dans les quatre isotopes du carbone.
2. Quelle est la masse molaire du carbone-12 ? Estimer celle du carbone-13.
3. Calculer les abondances isotopiques naturelles du carbone-12 et du carbone-13.
4. Donner la configuration électronique du carbone dans son état fondamental. Préciser les électrons de valence.
5. Faire un diagramme énergétique et placer les électrons avec leur état de spin. Pour chaque
orbitale, préciser les valeurs des nombres quantiques.
6. À l’aide des distributions radiales représentées figure 23.6, donner une estimation de la distance
au noyau la plus probable pour les électrons de cœur et pour les électrons de valence. Comparer
et conclure.
Exercice 23.2 Fer
Méthodes (23.1) (23.2)
Le fer, élément de numéro atomique 26, est très abondant sur Terre, surtout dans le noyau de la
planète. Dans la croûte terrestre, il est surtout présent sous forme d’oxydes (Fe 2 O 3 , FeO, Fe 3 O 4 ).
Par exemple la magnétite (Fe 3 O 4 ) est un solide ionique contenant des ions Fe
2+ , Fe
3+ et O
2– .
1. Donner la configuration électronique du fer (Fe) dans l’état fondamental. Préciser les électrons
de valence. Situer le fer dans le tableau périodique des éléments.
2. Faire un diagramme énergétique des orbitales, et placer les électrons avec leur état de spin. On
utilisera le fait que les orbitales 4s et 3d sont presque dégénérées, les orbitales 4s ayant une
énergie légèrement inférieure à celle des orbitales 3d.
3. Pour la configuration électronique de l’ion Fe
3+ dans l’état fondamental, proposer deux possibilités.
4. Expérimentalement, des mesures magnétiques montrent que le spin total de l’ion Fe
3+ , c’est-àdire la somme des nombres quantiques magnétiques de spin de ses électrons, est égal à
5
2 . En
déduire la configuration électronique de cet ion dans l’état fondamental.
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