Feuille d'entraînement : Atomistique et classification périodique

Corrigés

1. Exercice 1Banque PT Physique B PT 2022, Q1

   Le baryum possède un numéro atomique Z = 56, ce qui correspond à 56 électrons pour l'atome neutre dans son état fondamental.

   D'après la règle de Klechkowski, les sous-couches électroniques se remplissent par valeurs croissantes de n + \ell, puis par valeurs croissantes de n :

   1\mathrm{s} \to 2\mathrm{s} \to 2\mathrm{p} \to 3\mathrm{s} \to 3\mathrm{p} \to 4\mathrm{s} \to 3\mathrm{d} \to 4\mathrm{p} \to 5\mathrm{s} \to 4\mathrm{d} \to 5\mathrm{p} \to 6\mathrm{s}

   En tenant compte de la capacité maximale de chaque orbitale (principe d'exclusion de Pauli : 2 électrons par sous-couche \mathrm{s}, 6 par \mathrm{p} et 10 par \mathrm{d}), la configuration électronique complète du baryum dans son état fondamental s'écrit :

   \boxed{1\mathrm{s}^2\, 2\mathrm{s}^2\, 2\mathrm{p}^6\, 3\mathrm{s}^2\, 3\mathrm{p}^6\, 3\mathrm{d}^{10}\, 4\mathrm{s}^2\, 4\mathrm{p}^6\, 4\mathrm{d}^{10}\, 5\mathrm{s}^2\, 5\mathrm{p}^6\, 6\mathrm{s}^2}

   En faisant référence au gaz noble précédent, le xénon (_{54}\mathrm{Xe}), cette configuration s'écrit sous forme condensée :

   \boxed{[\mathrm{Xe}]\, 6\mathrm{s}^2}

   Résultat

   $$1{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{s}}^{2}2{\mathrm{p}}^{6}3{\mathrm{s}}^{2}3{\mathrm{p}}^{6}3{\mathrm{d}}^{10}4{\mathrm{s}}^{2}4{\mathrm{p}}^{6}4{\mathrm{d}}^{10}5{\mathrm{s}}^{2}5{\mathrm{p}}^{6}6{\mathrm{s}}^2$$

   $$[\mathrm{Xe}]6{\mathrm{s}}^2$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

2. Exercice 2Banque PT Physique B PT 2026, Q1

   À l'aide des numéros atomiques fournis dans les données et des règles de remplissage (principe de Klechkowski), on établit la configuration électronique de chaque atome dans son état fondamental :

   • Carbone (Z = 6) :

     1s^2 \, 2s^2 \, 2p^2

     La couche électronique externe (ou couche de valence) correspond à la valeur maximale du nombre quantique principal, soit n = 2. Elle contient les sous-couches 2s et 2p.

     \boxed{n_{v}(\text{C}) = 4\text{ électrons de valence}}

   • Azote (Z = 7) :

     1s^2 \, 2s^2 \, 2p^3

     La couche de valence correspond à n = 2, comportant 2 + 3 = 5 électrons.

     \boxed{n_{v}(\text{N}) = 5\text{ électrons de valence}}

   • Soufre (Z = 16) :

     1s^2 \, 2s^2 \, 2p^6 \, 3s^2 \, 3p^4 \quad \text{ou} \quad [\text{Ne}]\, 3s^2 \, 3p^4

     La couche de valence correspond à n = 3, comportant 2 + 4 = 6 électrons.

     \boxed{n_{v}(\text{S}) = 6\text{ électrons de valence}}

   Résultat

   $$n_v(\text{C})=4\text{ eˊlectrons de valence}$$

   $$n_v(\text{N})=5\text{ eˊlectrons de valence}$$

   $$n_v(\text{S})=6\text{ eˊlectrons de valence}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

3. Exercice 3Banque PT Physique B PT 2025, Q1

   Dans la notation standard d'un nucléide sous la forme ^{A}_{Z}\text{X} :

   • le nombre 235 (noté A) est le nombre de masse (ou nombre de nucléons) ;
   • le nombre 92 (noté Z) est le numéro atomique (ou nombre de charge).

   \boxed{235 \text{ : nombre de masse} \quad \text{et} \quad 92 \text{ : numéro atomique (ou nombre de charge)}}

   Résultat

   $$235\text{ : nombre de masse}\text{et}92\text{ : numeˊro atomique (ou nombre de charge)}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

4. Exercice 4Banque PT Physique B PT 2025, Q2

   Le noyau de l'atome d'uranium 235 est désigné par la notation _{92}^{235}\text{U}, où :

   • Z = 92 représente le numéro atomique, c'est-à-dire le nombre de protons ;
   • A = 235 représente le nombre de masse, c'est-à-dire le nombre total de nucléons (protons et neutrons).

   Le nombre de neutrons N présents dans le noyau est donc :

   N = A - Z = 235 - 92 = 143

   Le noyau de l'atome d'uranium 235 est ainsi composé de :

   \boxed{92\text{ protons et } 143\text{ neutrons}}

   Résultat

   $$92\text{ protons et }143\text{ neutrons}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

5. Exercice 5Banque PT Physique B PT 2025, Q3

   La proportion d'uranium 235 dans l'uranium naturel est donnée en quantité de matière (fraction molaire) :

   x = \frac{n(^{235}\mathrm{U})}{n_{\text{nat}}} = 0{,}7\,\% = 7 \times 10^{-3}

   Pour obtenir une masse m_{235} = 1\text{ kg} d'uranium 235, la quantité de matière nécessaire est :

   n(^{235}\mathrm{U}) = \frac{m_{235}}{M(^{235}\mathrm{U})}

   où la masse molaire de l'isotope 235 vaut M(^{235}\mathrm{U}) \approx 235\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1}.

   La quantité de matière d'uranium naturel à extraire vaut ainsi :

   n_{\text{nat}} = \frac{n(^{235}\mathrm{U})}{x} = \frac{m_{235}}{x \cdot M(^{235}\mathrm{U})}

   La masse correspondante d'uranium naturel est alors :

   m_{\text{nat}} = n_{\text{nat}} \times M_{\text{nat}} = \frac{m_{235}}{x} \times \frac{M_{\text{nat}}}{M(^{235}\mathrm{U})}

   où M_{\text{nat}} = 240\text{ g}\cdot\text{mol}^{-1} est la masse molaire moyenne de l'uranium naturel donnée dans le tableau.

   Application numérique : Sans calculatrice, on peut poser le calcul :

   \begin{aligned} m_{\text{nat}} &= \frac{1\text{ kg}}{7 \times 10^{-3}} \times \frac{240}{235} \\ &= \frac{1\,000}{7} \times \frac{48}{47} \\ &\approx 142{,}9 \times 1{,}021 \approx 146\text{ kg} \end{aligned}

   En conservant deux chiffres significatifs conformément aux données :

   \boxed{m_{\text{nat}} \approx 1{,}5 \times 10^2\text{ kg}}

   Remarque : En assimilant les masses molaires M(^{235}\mathrm{U}) \approx M_{\text{nat}} (c'est-à-dire en confondant fraction molaire et fraction massique), on obtient :

   m_{\text{nat}} \approx \frac{1\text{ kg}}{7 \times 10^{-3}} = \frac{1\,000}{7}\text{ kg} \approx 143\text{ kg} \approx 1{,}4 \times 10^2\text{ kg}

   Ce résultat approché est également tout à fait acceptable compte tenu de l'interdiction de la calculatrice.

   Résultat

   $$m_{\text{nat}}\approx 1,5\times 10^2\text{ kg}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

6. Exercice 6Banque PT Physique B PT 2023, Q4

   D'après les résultats des questions Q2 et Q3, une maille élémentaire contient :

   • N(\mathrm{Fe^{2+}}) = 1 ion fer(II) ;
   • N(\mathrm{Cr}^{t+}) = 2 ions chrome ;
   • N(\mathrm{O^{2-}}) = 4 ions oxyde.

   Les proportions stœchiométriques respectent donc le rapport :

   x : y : z = 1 : 2 : 4

   La formule statistique minimale de la chromite est par conséquent :

   \boxed{\mathrm{FeCr_2O_4}}

   Le cristal étant globalement électriquement neutre, la somme algébrique des charges par unité formulaire s'annule :

   \begin{aligned} q_{\mathrm{tot}} &= (+2) + 2 \times (+t) + 4 \times (-2) = 0 \\ 2 + 2t - 8 &= 0 \\ 2t &= 6 \implies t = 3 \end{aligned}

   Le degré d'oxydation du chrome dans le minerai est donc +\mathrm{III}, et la formule de l'ion du chrome dans le cristal est :

   \boxed{\mathrm{Cr^{3+}}}

   Résultat

   $$\mathrm{FeC}{\mathrm{r}}_2{\mathrm{O}}_4$$

   $$\mathrm{C}{\mathrm{r}}^{3+}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

7. Exercice 7Banque PT Physique B PT 2022, Q2

   D'après la question Q1, la configuration électronique du baryum à l'état fondamental est :

   [\mathrm{Xe}]\, 6\mathrm{s}^2

   Les deux électrons de valence occupent la sous-couche 6\mathrm{s}. En cédant ces deux électrons les moins liés, l'atome de baryum acquiert la configuration électronique à couches saturées du gaz noble qui le précède immédiatement, le xénon [\mathrm{Xe}] (règle de l'octet).

   L'ion le plus courant de cet élément est donc le dication baryum :

   \boxed{\mathrm{Ba}^{2+}}

   Résultat

   $${\mathrm{Ba}}^{2+}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

8. Exercice 8Banque PT Physique B PT 2022, Q3

   D'après la question Q1, la configuration électronique de l'atome de baryum dans son état fondamental s'écrit :

   [\mathrm{Xe}]\, 6\mathrm{s}^2

   • Période : Le nombre quantique principal le plus élevé occupé par des électrons dans l'état fondamental est n = 6. Le baryum se situe donc sur la 6e période du tableau périodique.
   • Colonne : La couche de valence est constituée de la sous-couche 6\mathrm{s} contenant 2 électrons (n\mathrm{s}^2). L'élément appartient au bloc \mathrm{s} et se situe dans la 2e colonne (groupe 2 selon la nomenclature internationale IUPAC).

   \boxed{\text{Le baryum se situe sur la 6\ieme{} période et dans la 2\ieme{} colonne.}}

   Résultat

   $$\text{Le baryum se situe sur la 6e peˊriode et dans la 2e colonne.}$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

9. Exercice 9Banque PT Physique B PT 2025, Q21

   Le numéro atomique du fluor, donné dans le tableau des données, est Z = 9.

   D'après les règles de remplissage (principe de stabilité de Klechkowski, principe d'exclusion de Pauli et règle de Hund), la configuration électronique du fluor dans son état fondamental s'écrit :

   1s^2 \, 2s^2 \, 2p^5

   • La couche de cœur (couche n = 1) est saturée et contient 2 électrons (1s^2).
   • La couche de valence correspond à la couche de nombre quantique principal le plus élevé (n = 2). Elle comporte les sous-couches 2s et 2p, qui contiennent respectivement 2 et 5 électrons.

   Le fluor possède donc 2 + 5 = 7 électrons de valence.

   Ce résultat est en accord avec sa position dans le tableau périodique :

   • 2^{\text{ème}} période : remplissage de la couche n = 2 ;
   • Avant-dernière colonne (colonne 17, famille des halogènes) : configuration de valence du type n s^2 \, n p^5, soit 7 électrons de valence (il ne lui manque qu'un électron pour saturer son octet).

   \boxed{n_{\text{élec, valence}} = 7}

   Résultat

   $$n_{\text{eˊlec, valence}}=7$$

   Indice, stratégie et pièges de cette question

10. Exercice 10Banque PT Physique B PT 2025, Q22

    La valeur particulièrement élevée du potentiel standard d'oxydoréduction du couple \left(\mathrm{F}_2(\mathrm{g})/\mathrm{HF}(\ell)\right), égale à E^\circ = 3{,}05\text{ V}, s'explique par les caractéristiques atomiques de l'élément fluor :

    1. Configuration électronique et règle de l'octet : Le fluor possède 7 électrons de valence (configuration 2s^2 2p^5). Il lui manque un seul électron pour saturer sa couche de valence et acquérir la configuration électronique très stable du gaz noble néon (2s^2 2p^6).
    2. Électronégativité maximale : Situé en haut à droite du tableau périodique (hors gaz nobles), le fluor présente le plus petit rayon atomique de sa colonne et une charge nucléaire effective élevée. C'est l'élément le plus électronégatif de la classification périodique (valeur maximale de 4{,}0 sur l'échelle de Pauling).

    En conséquence, la molécule de difluor \mathrm{F}_2 (au nombre d'oxydation 0) a une tendance extrêmement forte à capter des électrons pour se réduire à l'état de fluorure -\mathrm{I} (dans \mathrm{HF} ou \mathrm{F}^-) :

    \boxed{\mathrm{F}_2\text{ est un oxydant extrêmement puissant, ce qui se traduit par un potentiel standard } E^\circ \text{ très élevé.}}

    Résultat

    $${\mathrm{F}}_2\text{ est un oxydant extreˆmement puissant, ce qui se traduit par un potentiel standard }{E}^{\circ }\text{ treˋs eˊleveˊ.}$$

    Indice, stratégie et pièges de cette question