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Faire le point : Chimie générale 202-SN1-RE (ancien 202-NYA)

Une question par chapitre, 16 en tout, tirées des exercices corrigés du cours. Réponds à celles que tu sais faire et passe celles d'un chapitre que tu n'as pas encore vu : chaque réponse se vérifie tout de suite, et la correction s'ouvre après.

Avec ton espace gratuit, chaque réponse est gardée et ton tableau de bord range chaque chapitre : réussi au test, ou à travailler. Ce sont les mêmes questions que sur les pages des séries : une réponse donnée ici compte là-bas.

Ce que le cours suppose

Ces chapitres viennent d'une année précédente, et le cours s'appuie dessus dès les premières semaines.

Chimie · Secondaire 5 · La mole et la quantité de matière

La frise ci-dessous porte des ordres de grandeur sur une échelle logarithmique : chaque graduation vaut dix mille fois la précédente.

On prend $N_{A}=6{,}022\times 10^{23}$ entités par mole.

a) Combien de molécules contiennent $0{,}250$ mol de dioxyde de carbone ? Combien d'atomes d'oxygène ?

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Réponse

a) $1{,}51\times 10^{23}$ molécules ; $3{,}01\times 10^{23}$ atomes d'oxygène

a) $N=n\,N_{A}=0{,}250\times 6{,}022\times 10^{23}=1{,}51\times 10^{23}$ molécules de $CO_{2}$ . Pour les atomes d'oxygène, la formule dit qu'il y en a deux par molécule, donc deux moles d'oxygène par mole de dioxyde de carbone : $N(O)=2\times 1{,}51\times 10^{23}=3{,}01\times 10^{23}$ atomes. C'est le premier endroit où l'indice de la formule multiplie le décompte, et l'oubli de ce facteur 2 est l'erreur la plus fréquente de l'exercice. On peut aussi le dire en moles, ce qui est plus sûr : $0{,}250$ mol de $CO_{2}$ contient $0{,}500$ mol d'atomes d'oxygène.

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La série du chapitre · la fiche de révision

Chimie · Secondaire 5 · Les propriétés des gaz

Pour chaque situation, nommez la loi utilisée, puis calculez la valeur demandée. La quantité de gaz est constante dans chaque cas.

a) On comprime 2,0 L de gaz initialement à 150 kPa jusqu'à un volume de 0,60 L, à température constante. Quelle est la nouvelle pression ?

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Réponse

a) Boyle-Mariotte : $P_{2}=500$ kPa

a) Boyle-Mariotte : $P_{2}=\dfrac{P_{1}V_{1}}{V_{2}}=\dfrac{150\times 2{,}0}{0{,}60}=500$ kPa.

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Chimie · Secondaire 5 · L'aspect énergétique des transformations

Pour une réaction donnée, le diagramme énergétique indique : énergie potentielle des réactifs 50 kJ, sommet de la barrière (complexe activé) 180 kJ, énergie potentielle des produits 120 kJ.

a) Calculez la variation d'enthalpie $\Delta H$ de la réaction. La réaction est-elle endothermique ou exothermique ?

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Réponse

a) $\Delta H=+70$ kJ : endothermique

a) $\Delta H=E_{p}(produits)-E_{p}(r\acute{e}actifs)=120-50=+70$ kJ. Le signe est positif : la réaction est endothermique, elle absorbe de l'énergie.

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Science et technologie · Secondaire 4 ST · Les propriétés de la matière

On chauffe régulièrement un solide inconnu et l'on relève sa température toutes les minutes. La courbe obtenue est tracée ci-dessous.

Un palier sur une courbe de chauffage n'est jamais une panne de chauffage : c'est un changement d'état.

Substance	Point de fusion (°C)	Point d'ébullition (°C)
Éthanol	-114	78
Eau	0	100
Naphtalène	80	218
Plomb	328	1749

b) Quelle est la température de fusion de cette substance ? Identifiez-la à l'aide du tableau.

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Réponse

b) Point de fusion $80$ °C, c'est le NAPHTALÈNE

b) Le palier se lit à $80\ ^\circ$ C, donc le point de fusion vaut $80\ ^\circ$ C. Le tableau donne le NAPHTALÈNE. Notez qu'on identifie avec le palier et non avec la température finale : $140\ ^\circ$ C, la dernière valeur lue, ne correspond à rien de caractéristique, c'est juste l'endroit où l'on a arrêté de chauffer.

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Les chapitres du cours

Dans l'ordre du cours.

Chapitre 1 · La mesure au laboratoire, chiffres significatifs et incertitudes

La figure donne cinq pièces de verrerie avec la tolérance annoncée par le fabricant.

c) On doit prélever une prise d'essai destinée à une dilution : le volume prélevé entrera directement dans le calcul de la concentration finale. Quel instrument choisir parmi les cinq ?

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Réponse

c) La pipette jaugée de $25{,}00$ mL

c) La pipette jaugée. Elle est le seul instrument de la liste conçu pour délivrer un volume unique et fixé à haute précision, et c'est exactement ce que demande une prise d'essai. La fiole jaugée, elle, sert à CONTENIR un volume, pas à en délivrer un : on y prépare la solution diluée, on n'y prélève pas.

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Chapitre 2 · Structure atomique et configuration électronique

On s'intéresse aux quatre nombres quantiques $(n,\ l,\ m_{l},\ m_{s})$ qui décrivent l'état d'un électron dans un atome.

b) Combien d'orbitales et combien d'électrons au maximum le niveau $n=4$ peut-il contenir ? Justifiez par les règles.

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Réponse

b) 16 orbitales et 32 électrons, soit $n^{2}$ et $2n^{2}$

b) Le niveau $n=4$ contient $n^{2}=16$ orbitales et $2n^{2}=32$ électrons au maximum.

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Chapitre 3 · Liaison chimique et géométrie moléculaire

On rappelle les électrons de valence : $H$ 1, $C$ 4, $N$ 5, $O$ 6. La figure ci-dessous donne le squelette de l'ozone.

a) Déterminez le nombre total d'électrons de valence à placer dans la structure de Lewis du $CO_{2}$ , de l' $H_{2}O$ et de l'ion nitrate $NO_{3}^{-}$ .

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Réponse

a) 16, 8 et 24 électrons de valence

a) $CO_{2}$ : $4+2(6)=16$ électrons de valence. $H_{2}O$ : $2(1)+6=8$ . $NO_{3}^{-}$ : $5+3(6)+1=24$ (on ajoute 1 électron pour la charge négative).

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Chapitre 4 · Hybridation et modèle quantique de la liaison

Pauling résout la contradiction en deux temps : on promeut d'abord un électron, ce qui coûte de l'énergie, puis on combine mathématiquement les orbitales de valence en orbitales équivalentes. Le bilan énergétique est largement favorable.

c) Expliquez ce qu'est l'hybridation $sp^{3}$ et combien d'orbitales hybrides elle produit.

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Réponse

c) Une $2s$ et trois $2p$ donnent QUATRE hybrides identiques, orientées en tétraèdre

c) L'hybridation $sp^{3}$ est la combinaison mathématique de l'orbitale $2s$ et des TROIS orbitales $2p$ . Elle produit QUATRE orbitales hybrides identiques, de même énergie, intermédiaire entre celles de $s$ et de $p$ , et orientées vers les quatre sommets d'un tétraèdre. Chacune contient un électron célibataire et peut former une liaison $\sigma$ . Le nom $sp^{3}$ indique la recette : une part de $s$ , trois parts de $p$ .

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Chapitre 5 · Les molécules organiques, fonctions et isomères

Une seule contrainte gouverne tout le squelette d'une molécule organique : le carbone forme TOUJOURS quatre liaisons, ni plus ni moins. Tout le reste en découle.

d) Combien d'isomères de squelette compte $C_{5}H_{12}$ ? Nommez-les.

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Réponse

d) Trois : pentane, 2-méthylbutane, 2,2-diméthylpropane

d) Trois : le pentane, chaîne droite de cinq carbones ; le 2-méthylbutane, chaîne de quatre avec un méthyle sur le deuxième carbone ; le 2,2-diméthylpropane, chaîne de trois avec deux méthyles sur le carbone central, qui est alors quaternaire. Il n'y a pas de quatrième possibilité : un méthyle sur le troisième carbone d'une chaîne de quatre redonne le 2-méthylbutane vu de l'autre bout, ce qui est l'erreur de comptage la plus fréquente. Leurs températures d'ébullition, $36$ , $28$ et $10$ °C, décroissent avec la ramification, la molécule devenant plus compacte et offrant moins de surface de contact.

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Chapitre 6 · Stœchiométrie, réactif limitant et rendement

L'ammoniac se synthétise selon $N_{2}+3\,H_{2}\rightarrow 2\,NH_{3}$ . On fait réagir 28,0 g de diazote $N_{2}$ avec 5,00 g de dihydrogène $H_{2}$ . Masses molaires (g/mol) : $N_{2}$ 28,02 ; $H_{2}$ 2,02 ; $NH_{3}$ 17,04.

Le schéma ci-dessous représente la synthèse.

b) Déterminez le réactif limitant en comparant les rapports $\dfrac{n}{\text{coefficient}}$ .

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Réponse

b) $0{,}825<1{,}00$ : le dihydrogène est limitant

b) Pour $N_{2}$ : $\dfrac{1{,}00}{1}=1{,}00$ . Pour $H_{2}$ : $\dfrac{2{,}48}{3}=0{,}825$ . Le plus petit rapport est celui du dihydrogène, donc $H_{2}$ est le réactif limitant : il s'épuise avant le diazote. Une fois le limitant épuisé, ajouter encore du réactif en excès ne produit plus rien : la quantité de produit forme un plateau.

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Chapitre 7 · Les gaz : Dalton, cinétique et gaz réels

Dans un mélange, chaque gaz se comporte comme s'il était seul : il exerce la pression qu'il aurait en occupant tout le volume. La pression totale n'est que la somme de ces contributions, pondérées par les fractions molaires.

Masses molaires : $He$ 4,003 g/mol ; $O_{2}$ 32,00 g/mol ; $H_{2}$ 2,016 g/mol.

Le schéma ci-dessous représente le mélange de a) et le montage de c).

c) On recueille du dihydrogène par déplacement d'eau : 250 mL à 22 °C, sous une pression atmosphérique de 101,3 kPa. La pression de vapeur d'eau à 22 °C vaut 2,6 kPa. Calculez la masse de $H_{2}$ recueillie.

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Réponse

c) $P(H_{2})=98{,}7$ kPa, $n=1{,}006\times 10^{-2}$ mol, soit 20,3 mg

c) Le gaz recueilli sur l'eau est saturé en vapeur : la pression mesurée est celle du mélange. Donc $P\left(H_{2}\right)=101{,}3-2{,}6=98{,}7$ kPa. Avec $T=22+273=295$ K et $V=0{,}250$ L : $n=\dfrac{PV}{RT}=\dfrac{98{,}7\times 0{,}250}{8{,}314\times 295}=1{,}006\times 10^{-2}$ mol. La masse vaut $m=1{,}006\times 10^{-2}\times 2{,}016=2{,}03\times 10^{-2}$ g, soit environ 20 mg.

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Chapitre 8 · Oxydoréduction, nombres d'oxydation et nomenclature

Un composé ionique binaire associe un métal et un non-métal. Son nom se lit à l'envers de sa formule : l'anion d'abord, terminaison en -ure sauf pour l'oxygène qui donne oxyde, puis le cation.

a) Nommez $NaCl$ , $CaBr_{2}$ , $Al_{2}O_{3}$ et $K_{2}S$ .

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Réponse

a) Chlorure de sodium, bromure de calcium, oxyde d'aluminium, sulfure de potassium

a) $NaCl$ chlorure de sodium, $CaBr_{2}$ bromure de calcium, $Al_{2}O_{3}$ oxyde d'aluminium, $K_{2}S$ sulfure de potassium. Aucun préfixe de nombre n'apparaît : les indices se déduisent des charges, ils n'ont donc pas à être dits. Écrire dibromure de calcium est une faute, pas une redondance.

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Chapitre 9 · Métaux, non-métaux et métalloïdes

Un métal atteint la configuration du gaz noble qui le PRÉCÈDE en perdant ses électrons de valence. Énergies d'ionisation du sodium : première $496$ kJ/mol, deuxième $4562$ kJ/mol. L'extrait du tableau périodique ci-dessous situe ces cinq métaux.

c) Le fer donne $Fe^{2+}$ et $Fe^{3+}$ . Écrivez la configuration de $Fe^{3+}$ à partir de celle du fer, $[Ar]3d^{6}4s^{2}$ , et dites ce qui la rend particulièrement stable.

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Réponse

c) $[Ar]3d^{5}$ : la sous-couche $d$ exactement à moitié remplie

c) Le fer est $[Ar]3d^{6}4s^{2}$ . On retire d'abord les deux électrons $4s$ , qui sont les plus externes malgré l'ordre de remplissage, ce qui donne $Fe^{2+}$ en $[Ar]3d^{6}$ . Un électron $3d$ de plus donne $Fe^{3+}$ en $[Ar]3d^{5}$ . Sa stabilité particulière vient de cette sous-couche $d$ exactement à MOITIÉ remplie, cinq orbitales portant chacune un électron célibataire de même spin : c'est la même raison qui explique l'anomalie du chrome dans le tableau des configurations, et c'est pourquoi les sels de fer(III) sont si répandus.

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Chapitre 10 · Solutions et propriétés colligatives

En solution, la quantité de matière se lit comme un produit $C\times V$ . Toute la stœchiométrie du chapitre précédent s'applique alors sans changement, à condition de ne jamais confondre volume de solution et volume de soluté.

Masse molaire de $AgCl$ : 143,32 g/mol. Le schéma ci-dessous représente le titrage de b) et la précipitation de c).

a) Comment préparer 500 mL d'acide chlorhydrique à 0,150 mol/L à partir d'une solution commerciale à 12,0 mol/L ? Décrivez le mode opératoire.

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Réponse

a) Prélever 6,25 mL et compléter à 500 mL dans une fiole contenant déjà de l'eau

a) La dilution conserve la quantité de matière : $C_{1}V_{1}=C_{2}V_{2}$ , donc $V_{1}=\dfrac{C_{2}V_{2}}{C_{1}}=\dfrac{0{,}150\times 0{,}500}{12{,}0}=6{,}25\times 10^{-3}$ L, soit 6,25 mL. Mode opératoire : prélever 6,25 mL de la solution commerciale à la pipette, les verser dans une fiole jaugée de 500 mL contenant DÉJÀ un fond d'eau distillée, puis compléter jusqu'au trait de jauge et homogénéiser. On ne verse jamais l'acide dans une fiole vide que l'on remplit ensuite d'eau.

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Chapitre 11 · Thermochimie et premier principe

Un système échange de l'énergie avec son milieu de deux façons seulement : par la chaleur et par le travail. Le premier principe affirme que la somme des deux est une grandeur d'état, l'énergie interne.

Rappel d'unités : 1 kPa·L = 1 J.

Le schéma ci-dessous représente la détente de b).

b) Un gaz se détend de 2,00 L à 5,00 L contre une pression extérieure constante de 101,3 kPa, en absorbant 500 J de chaleur. Calculez le travail, puis la variation d'énergie interne.

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Réponse

b) $w=-304$ J et $\Delta U=+196$ J

b) $\Delta V=5{,}00-2{,}00=+3{,}00$ L. Le travail vaut $w=-P\Delta V=-101{,}3\times 3{,}00=-304$ kPa·L, soit $-304$ J. Le signe est négatif parce que le gaz POUSSE l'atmosphère : il fournit du travail. Alors $\Delta U=q+w=500+(-304)=+196$ J.

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Chapitre 12 · États de la matière et diagrammes de phases

Un liquide s'évapore jusqu'à ce que sa vapeur atteigne une pression d'équilibre, qui ne dépend que de la température. Quand cette pression rejoint la pression extérieure, l'ébullition commence, dans tout le volume et non plus seulement en surface.

Pour l'eau : $\Delta H_{vap}=40{,}7$ kJ/mol, ébullition à 100 °C sous 101,3 kPa. R = 8,314 J/(mol·K).

Le schéma ci-dessous représente les trois situations.

d) Dans un autocuiseur, la pression atteint 202,6 kPa. Calculez la nouvelle température d'ébullition et expliquez le gain de temps de cuisson.

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Réponse

d) $394{,}0$ K, soit $120{,}8$ °C : environ quatre fois plus vite, par cinétique

d) Avec $P_{2}=202{,}6$ kPa, le même calcul donne $T_{2}=394{,}0$ K, soit $120{,}8$ °C. L'autocuiseur permet donc de cuire à 121 °C au lieu de 100. Le gain de temps vient de la CINÉTIQUE et non de la thermodynamique : d'après la règle empirique du doublement de vitesse tous les 10 degrés, une élévation de 21 degrés multiplie la vitesse des réactions de cuisson par environ quatre. C'est aussi la température normalisée de stérilisation en autoclave, choisie précisément parce qu'elle détruit les spores bactériennes.

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La série du chapitre · la fiche de révision

Et maintenant ?

Ton tableau de bord range chaque chapitre selon tes réponses et te dit par où commencer. Une date d'examen en tête ? Note-la sur la carte du cours : il en tire un plan, jour après jour.

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