GCI 190 Chimie
Devoir 1 1-2
CONSIGNES :
a) Ce travail est réalisé en équipe de 4 personnes. Remettre 1 seule copie par équipe;
b) Vous devez le remettre, au plus tard le 7 février 2013 avant 16h00, dans le casier sous le pigeonnier situé au local C2-2010.
Le devoir est corrigé sur un total de 20 points QUESTION 1 (2 pts)
En référant à la structure cristalline présentée à la Figure 1, veuillez répondre aux questions suivantes (n’oubliez pas de justifier vos réponses) :
a) Quel est le nom de ce composé? Carbure de lithium
b) Quel type de composé est-ce? Ionique Quel type de lien y a-t-il? Électrostatique. Les liens entre les cations et les ions reposent sur les interactions électrostatiques entre les charges des anions (dans ce cas le carbone, chargé négativement) et des cations (ici le lithium, chargés positivement). Quelle est sa masse moléculaire?
La masse moléculaire du Li4C est de 39,77 u (masse moléculaire du Li = 6,94 u et celle du C=12,01 u donc masse moléculaire du Li4C = (4 × 6,94 u) + 12,01 u)
c) Combien y a-t-il d’électrons, de protons et de neutrons dans le cation? Le cation, Li+ est un atome de Li qui a perdu 1 électron. Sous sa forme atomique (37𝐿𝑖) le sodium compte 3 protons, 3 électrons et 4 neutrons.
Sous forme de cation, il compte 3 protons, 2 électrons et 4 neutrons Et dans l’anion? L’anion, C4- est un atome de C qui a gagné 4 électrons. Sous sa forme atomique (126𝐶) le carbone compte 6 protons, 6 électrons et 6 neutrons. Sous forme d’anion, il compte 6 protons, 10 électrons et 6 neutrons
Figure 1. Représentation schématique du cristal à l’étude dans la question 1.
QUESTION 2 (2 pts)
Une molécule est constituée d’un atome de carbone et de 2 autres atomes d’un même élément. La masse du carbone représente 15.8% de la masse totale du composé. Quel est l’autre élément constituant cette molécule? Quel est la formule moléculaire de cette molécule? Ce composé est sous la forme moléculaire C1X2, où X représente le composé inconnu. Donc pour une seule molécule, la fraction massique de carbone s’exprime comme suit :
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝐶 (%) = 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝐶
𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 × 100%
Donc 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑎𝑡𝑜𝑚𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝐶
𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑖𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑢 𝐶 (%) ×100
%
Or, la masse moléculaire du C est de 12 uLi+
Li+ C4- Li+
Li+
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Devoir 1 2-2
𝑀𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑚𝑜𝑙é𝑐𝑢𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒 = 12 𝑢
15.8% × 100% = 76 𝑢
La molécule a donc une masse moléculaire de 76 u = 12 u (le carbone) + (2 × la masse atomique de X) On en déduit la masse atomique de X = (76-12)/2 = 32
L’atome ayant une masse atomique de 32 est le Soufre. Le composé recherché est donc le CS2.
QUESTION 3 (2 pts)
L’analyse élémentaire (sur une base molaire) du bitume utilisé pour la fabrication d’un enrobé bitumineux est donnée au Tableau 1. Quelle est la masse moléculaire moyenne du bitume utilisé?
Tableau 1. Composition élémentaire du bitume (adapté de The Shell Bitumen Handbook, 1990)
Atome Composition (% molaire)
Carbone 82
Hydrogène 12
Soufre 5
Oxygène 1
Le bitume étant un mélange complexe d’hydrocarbures. Nous déterminerons donc sa masse moléculaire moyenne.
Il s’agit de la somme des masses moléculaires des éléments qui le constituent pondérées par leur fraction molaire, ce qui donne :
Masse moléculaire moyenne du bitume = 0.82 ×12 u + 0.12 ×1 u + 0.05×32 u + 0.01 ×16 u = 11.72 u ou 11.72 g/mol
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Devoir 1 3-2
QUESTION 4 (2 pts)
Prédisez le nom et la formule chimique de chacun des composés binaires formés des éléments ioniques suivants : 1. Na et H
NaH, hydrure de sodium
2. B et O
B
2O
3, trioxyde de dibore
3. Na et SNa
2S, sulfure de sodium
4. Al et FAlF
3, fluorure d’aluminium
QUESTION 5 (2 pts)
Quelle est la configuration électronique des ions suivants :
1. Fe2+ (24 électrons au lieu de 26) 1s22s22p63s23p64s23d4 = [Ar] 4s23d4 2. Cu+ (28 électrons au lieu de 29) 1s22s22p63s23p64s13d9 = [Ar] 4s13d9
3. Ba+ (55 électrons au lieu de 56) 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s1 = [Xe] 6s1 4. Te2- (54 électrons au lieu de 52) 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p6 = [Xe]
QUESTION 6 (2 pts)
La configuration électronique d’un atome est 1s22s22p63s2. Quel est cet atome? Donnez tous les nombres quantiques qui caractérisent chacun de ses électrons.
Il y a un total de 12 électrons pour cet atome (et non ion), c’est donc le magnésium.
Ses électrons sont caractérisés par les nombres quantiques suivants :
Orbitale n l m
lm
s1s 1 0 0 +½
1s 1 0 0 -½
2s 2 0 0 +½
2s 2 0 0 -½
2p 2 1 1 +½
2p 2 1 1 -½
2p 2 1 0 +½
2p 2 1 0 -½
2p 2 1 -1 +½
2p 2 1 -1 -½
3s 3 0 0 +½
3s 3 0 0 -½
QUESTION 7 (2 pts)
Dans un feu d’artifice contenant du césium, suite à l’explosion de la charge (explosive!) il y a émission de photons dont l’énergie est de 4,30 X 10-19 J. Quelle couleur génèrera ce feu d’artifice?
Il faut d’abord calculer la longueur d’onde, puis trouver la couleur à l’aide de la figure 5.3 de Chang et Papillon (2009).
𝜆=ℎ×𝑐
𝐸 =(6,63 × 10−34 𝐽.𝑠)(3,00 × 108 𝑚/𝑠)
4,30 × 10−19 𝐽 = 4,63 × 10−7𝑚= 463 𝑛𝑚
Cette longueur d’onde appartient à l’intervalle de la couleur bleue. Le feu d’artifice produira donc du bleu.
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Devoir 1 4-2
QUESTION 8 (2 pts)
Expliquez pourquoi les éléments produisent des couleurs qui leur sont propres lors de l’émission de photons.
L’arrangement des niveaux d’énergie est particulier à chaque élément. Les fréquences de la lumière émise par les éléments sont propres à chaque élément. Même les fréquences émises par les isotopes d’un même élément ont des différences très légères entre elles. Ce faisant, les transitions électroniques d'un niveau supérieur vers un niveau inférieur libèrent des quantités différentes d'énergie sous forme de photon, ce qui résulte en l'émission de lumière ayant des longueurs d'onde différentes et donc des couleurs différentes.
QUESTION 9 (4 pts)
L’ion fer 2+ [aussi appelé fer ferreux ou Fe(II)] se retrouve dans l’eau des puits artésiens sous forme de bicarbonate ferreux (ou bicarbonate de fer (II)). L’élimination du fer de l’eau de consommation est absolument nécessaire car il favorise la prolifération de certaines bactéries dans les conduites d’approvisionnement. L’élimination du bicarbonate ferreux se fait grâce à une aération de l’eau du puits. Au cours de cette aération, le bicarbonate ferreux réagit avec l’eau et l’oxygène de l’air pour former de l’hydroxyde de fer (III), qui est un composé insoluble, et du dioxyde de carbone. Écrivez la formule chimique de cette réaction de précipitation du Fe(II) en précisant les états de chacune des molécules.
La réaction de précipitation fait intervenir le bicarbonate ferreux (Fe(HCO3)2)qui entre en réaction avec l’eau (H2O) ainsi que l’oxygène (O2), ce qui génère de l’hydroxyde de fer (III) avec dégagement de dioxyde de carbone (CO2).
La réaction est donc la suivante :
Fe(HCO3)2(aq) + H2O(l) + O2(g) Fe(OH)3(s) +CO2(g) En respectant la stœchiométrie on a alors :
4Fe(HCO3)2(aq) + 2H2O(l) + O2(g) 4Fe(OH)3(s) +8CO2(g)
