Paul Arnaud

Les cours ^de

Paul Arnaud

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J

Françoise Rouquérol Gilberte Chambaud Roland Lissillour Abdou Boucekkine

Avec la collaboration ^de Renaud Bouchet Florence Boulc'h Virginie Hornebecq

tJ

.)

I

Table des matières

AVANT.PROPOS DE PAUL ARNAUD : LE LIVRE MODE D,EMPLOI AVANT-PRoPos DE LA 7e Éotrtoru

rNTRoDUcTtoN À

m cntutt

PARTIE 1 ^O DESCRIPTION MICROSCOPIQUE DE LA STRUCTURE DE LA IURIÈNT

CHAPITRE

1 .

ATOME TT ÉTÉTUIruT: PREMIERS IVIOOÈ|TS DE L'ATOME

1.1

Naissance de la théorie atomioue moderne

1.2

Découverte des particules fondamentales

1.3

^{Masses atomioues}

QCM EXERCICES

REPONSES AUX _QCM

.HAPITRE

2 .

STRUCTURE DU NOYAU ATOMIQUE Z

1

Radioactivité naturelle

).2

Radioactivitéartificielle

: 3

^{0rigine de la} radioactivité

I 4

Énergie nucléaire

:XERCICES

::)ON5E5 _AUX QCM

:-APITRE

3 .

ORGANISATION DEs ELECTRONS DANS L'ATOME : DU MODËLE DE BOHR

À tR

otscRtploN

oNDULAToTRE

Echanges d'énergie entre la matière et le rayonnement. Spectroscopie dtome d'hydrogène. Faits expérimentaux

m VII

47 48 52 9 10 14 22 26 27 29

30 31 35 JI 39 44

46

Chimie générale

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3,8 5.v 3.10 3.11

Quantification et dualité onde-particule Modèle de I'atome de Bohr

Modèle quantique Équation de Schrôdinger Les quatre nombres quantiques

La fonction polyélectronique Niveaux d'énergie

Conf iguration électronique Niveaux d'énergie réels dans l'atome QCM

EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE

4 r

CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉTÉITIIruTS

4.1

Origines de la classification périodique des éléments

4.2

Classification périodique moderne

4.3

Classification périodique etconfiguration électronique

4.4

Classification périodique et formation des ions

4.5

Classification périodique et rayons atomiques QCM

EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE 5

T

LA LIAISON CHIMIQUE : DU MODÈLE DE LEWIS AU MODÈLE QUANTIQUE

5.1

^Liaison entre deux atomes

5.2

Modèle de Lewis de la covalence

5.3

Orbitales atomiques hybrides

5.4

Modèle quantique des orbitales moléculaires QCM

EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE

6 .

GÉOMÉTflE DEs MOLÉCULEs

6.1

Géométriemoléculaire

6.2

^{Modèle VSEPR}

6.3

Stéréoisomérie

6.4

Visualiser les molécules QCM

EXERCICES

RÉPON5E5 AUX _QCM

52 53 56 58 66 67 68

7l

76 78 19 82 83 84 86 90 93 103 108 109

r12

113

lr4

116 126

t3z

150 151 155 156

t57 r59

165 166 168

r69

llr

Table

des matières

CHAPITRE

7 .

MOMENT DIPOLAIRE

-

^MAGNÉÏSME

-

^FORCES INTERMOLÉCULAIRES

7,1

Moment électrioue moléculaire

7.2

Magnétismemoléculaire

7.3

Interactions de faible éneroie QCM

EXERCICES

RÉPONsES AUX _QCM

PARTIE 2

.

DESCRIPTION MACROSCOPIQUE DEs ÉTRTS OT

U

MATIÈRE CHAPITRE

8 .

ÉTATS DE LA MATIÈRE

8.1

Introduction aux différents états de la matière

8.2

Notion de quantité de matière

8.3

État gazeux

8.4

^État liquide

8.5

États solides QCM

EXERCICES

REPONSES AUX _QCM

CHAPITRE

9 .

STRUCTURE DES CRISTAUX

9.1

Structure du cristal parfait

9.2

^{Cristaux réels}

9.3

Détermination expérimentale des structures cristallines

9.4

^{Relations entre} la structure des cristaux et leurs propriétés physiques :

exemple du diamant et du graphite QCM

EXERCICES

RÉPoNsEs AUX QcM

CHAPITRE 1O . MAflÈRE ET ÉNERGIE : INTRODUCTION À LA THERMODYNAMIQUE

10.1

Notions de système et d'environnement

10.2

Échange de matière et d'énergie entre un système et son environnement

10.3

États d'équilibre d'un système

10.4 Transformations d'un svstème

10.5

État stationnaire

10.5

Notion thermodynamique de phase

Oo/

aERCTCES

TSONSES AUX _QCM

172

r73

178 179 189 190

t92

193 193

t94 t97

199

2t0 2t4 2t8

220 222

252 254 256 257 258 259 259 260 263 266 266 267 268 269 224 248 249

xtl Chimie générale

CHAPITRE 11 ^I CONSERVATION DE L'ÉNERGIE. PREMIER PRINCIPE DE LA THERMODYNAMIQUE

1

1.1

Conservation de l'énergie

1

1.2

Transfert d'énergie entre un système et son environnement

1

1.3

Expression, à l'aide de fonctions d'état, de la chaleur échangée par un système qui se transforme

QCM EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE ,I2 _.

PRÉVISION DU SENS DES TRANSFORMATIONS SPONTANÉES

12.1

Transformations spontanées et non spontanées

12.2

Bilan des grandeurs extensives

12.3

Facteurs de l'énergie

12.4

Notion d'entropie

12.5

Enthalpie libre QCM

EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE 13 .CARACTÉRISATION THERMODYNAMIQUE DE LA MATIÈRE

13.1

Espèces pures '13.2 Mélanges et solutions QCM

EXERCICES

RÉPoNSES AUX _QCM

CHAPITRE 14 ^. CHANGEMENTS D'ÉTAT PHYSIQUE DE

tA

MAflÈRE

-

DIAGRAMME DE PHASES

14.1

ChangemenB d'état des corps purs

14.2

Équilibres diphasés

14.3

Diagrammede phasesdesespke

ôimiçe prcs

14;4

Diagramme de phases des solutions diluées

dun oluté

non

volad 14.5

Pression osmotique

QCM EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

270 271 272

28r

282 283 285 286 281 289 289 289 295 299 300 301

302 303 308 316 318 319 320

32r

324 331

JJ/

340 342 344 346

Table des

matières )otr

PARTIE

3I

TRANSFORMATION CHIMIQUE DE

tA

MAilÈRE

CHAPITRE 15 IAPPROCHE QUANTITATIVE ^DES TRANSFORMATIONS CHIMIQUES :

AVANCEMENT DE RÉACTION

15.1

Approche qualitative

15.2

Approche quantitative

15.3

Calcul des quantités d'espèces chimiques présentes dans un réacteurfermé QCM

DGRCICES

nÉpoNsrs AUX QcM

G{APITRE 16 oAPPLICATION DES PRINCIPES DE TATHERMODYNAMIQUE AUX TRANSFORMATIONS CHIMIQUES

16.1

Application du premier principe de la thermodynamique

fG2

Évaluation indirecte d'énergies de transformation

163

Application du second principe de la thermodynamique

Ail

æRCTCES

porsrsAUXQcM

I7

^OLOIS GÉNÉRAIES DES ÉQUITIBRES CHIMIQUES

348

398 399 400

h.t

État O'equilibre chimique

Critère d'évolution spontanée d'un système chimique

Variation de l'enthalpie libre d'un système réagissant de façon isobare et monotherme, en fonction de l'avancement de réaction

f

loi

des équilibres chimiques (loi d'action des masses) :

constante (thermodynamique) d'équil ibre

DÉplacement des équilibres chimiques : principe de Le Chatelier Règle des phases

AUX _QCM

18 .IRANSFORMATIONS _{CHIMIQUES EN} SOLUT|ON AQUEUSE Disolution des espèces chimiques dans l'eau

fruilibres acide-base en solution aqueuse

des concentrations molaires des constituants

dune

solution acidobasique aqueuse

348 349 351 358 367 368 369

372

Jtz

a4^

387

39r

392 394 395

403 404 407 415

4r7

4r9

421 423 424 431 441 459 460 462 AUX _QCM

XIV Chimie générale

CHAPITRE 19 .ÉQUILIBRES _DE PRÉC|P|TAT|oN ^ET DE CoMPLEXATIoN EN SoLUTIoN AQUEUSE

19.1

Limite de solubilité : équilibre de précipitation

19.2

Équilibres de complexation

QCM EXERCICES

RÉPONsES AUX _QCM

CHAPITRE 20 ^. RÉACTIONS ÉLECTROCHIMIQUES ET RÉACTIONS D'OXYDO.RÉDUCTION EN SOLUTION AQUEUSE

20.1

Oxydants et réducteurs: ^rappels

20.2

Réaction électrochimique

20.3

Cellules électrochimiques

20.5

Applications

QCM EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE 21 .INTRODUCTION À LA THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE AUX ORGANISMES VIVANTS

21.1

Spécificité des organismes vivants

21.2

Rôle central de I'adénosine triphosphate dans les échanges d'énergie

21.3

Conclusion

QCM EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CHAPITRE 22 .CINÉTIQUE CHIMIQUE ^FORMELLE

22.1

Notion de vitesse de réaction

22.2

Loi de vitesse

22.3

Détermination expérimentale de I'ordre de réaction

22.4

Influence de la température sur la vitesse d'une réaction

22.5

Désintégrations radioactives

QCM EXERCICES

RÉPONSESAUXQCM

^I

CHAPITRE 23 . MÉCANISMES RÉACTIONNELS

23.1

Réactions simples et réactions complexes

23.2

Réactionsélémentaires

464 465

a1)

480 482 483

485 486 494 500 511 523 525 527

528 529 534 536 537 537 539 540 541 544

))r

553 554 559 561 562 564 565 565

Table des

matières

23.3 23.4 23.5

23.6 23.7 23.8 23.9

Théorie des collisions

Exemples de réactions complexes

Loi de vitesse d'une réaction complexe supposée s'effectuer grâce à la succesion de deux étapes

Activation theimique

Profil énergétique des réactions Activation photochimique Catalvse

567

57r

573 577 578 582 583

59r

592 593

63r

631 633 641 643 644 644 646 647 648 QCM

EXERCICES

RÉPONSES AUX _QCM

CONCLUSION

RÉPONSES AUX _QUESTIONS

SOLUTIONS DES EXERCICES

ANNEXES

A propos _des règles d'écriture

Extraits des recommandations de l'IUPAC Masses atomiques relatives des éléments naturels Configurations électroniques des éléments

Électronégativités de quelques éléments (selon Pauling) Données thermodynamiques à 298 K

Constantes d'acidité et ^pKa en solution aqueuse à 298 K Produits de solubilité, en solution aqueuse, à 298 K Potentiels d'électrode de référence à 298 K

t)Ex

STTBOLES ET NOMS DES ÉLÉMENTS

NBI.EAU DE CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS 654

o o o o o o

Les cours de ^Paul Arnaud

Chimie ^générale

7'édition du cours de chimie ^physique

Ce manuel de chimie ^générale traite de la structure de la matière (description de l'atome, du noyau atomique et de ^la liaison chimique), de la thermodynamique chimique ^(des- cription macroscopique de la matière, de ses différents états d'agrégation et de ^ses évolutions) ainsi que de la cinétique des réactions chimiques

Conçu de façon

à

assurer la compréhension des phénomènes avant d'en venir à leur formulation abstraite, ce cours, accompa- gné d'exercices et de _QCM corrigés, aide l'étudiant à organiser et à structurer progressivement lès nouvelles connaissances pour réussir examens et concours. ^\'

Public

^:

o Étudiants en Licences de Sciences de la Matière ou de Sciences de

la

Vie et de

la

Terre

o Étudiants de la

PAES-UEl

(atomes, biomolécules, génome, bioé- nergétique, métabolisme)

o

Élèves

des classes préparatoires

o Candidats au

CAPES

de Sciences Physiques

ililil1t[Jil[tffil

6972780

lsBN

978-2-10-058802-2

o _I lO questions au fil du texte pour comprendre pas à ^pas

c 22O exercices en fin de chapitres pour vérifier ses acquis et approfondir son travail

o 2OO QCM pour s'auto-évaluer rapidement

f

^unrHÉumqus

PHYSIQUE

CHIMIE

scrENcEs or rrrucÉrurruR INFORMATIQUE SCIENCES DE LA VIE SCIENCES DE I-A TERRE

Françoise Rouquérol

est professeur

émérite de I'université d'Aix-Marseille-1.

Gilberte

Chambaud est professeur à I'université de Marne-la-Vallée.

Roland Lissillour

est professeur honoraire de I'université Rennes I .

Tous trois ont été orésidents de la division enseignement de la Société française de chimie, de même que Paul Arnaud.

Abdou Boucekkine est professeur à

I'université Rennes

I.

Renaud Bouchet est professeur à l'INPC de Grenoble.

Florence Bouldh et

Virginie

Hornebecq sont maftres de conférences à luniversité

dAix{ars€ilh.