Tout-en-un Chimie PCSI - 1ère année

693 Pages·2010·9.02 MB·French

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H PRÉPA TOUT EN UN
1
RE
ANNÉE
CHIMIE
PCSI
• Le cours : connaissances et méthodes
• De nombreux exercices corrigés
• Des extraits de concours
TOUT LE PROGRAMME EN UN SEUL VOLUME !
C
lassification périodique
m
81 0,4eH2muiléH 2,02eN01noéN 9,93rA81nogrA 8,38rK63notpyrK 3,131eX45nonéX 222nR68nodaR 0,571uL17muitétuL 752rL301uicnerwaL
71 0,91F9roulF 5,53lC71erolhC 9,97rB53emorB 9,621I35edoI 012tA58etatsA 0,371bY07muibrettY 452oN201muiléboN
m
61 0,61O8enègyxO 1,23S61erfuoS 0,97eS43muinéléS 6,721eT25erulleT 012oP48muinoloP 9,861mT96muiluhT 652dM101uivélédneM
51 0,41N7etozA 0,13P51erohpsohP 9,47sA33cinesrA 8,121bS15eniomitnA 0,902iB38htumsiB 3,761rE86muibrE 352mF001muimreF
41 0,21C6enobraC 1,82iS41muiciliS 6,27eG23muinamreG 7,811nS05niatE 2,702bP28bmolP 9,461oH76muimloH 452sE99muinietsniE
31 8,01B5eroB 0,72lA31muinimulA 7,96aG13muillaG 8,411nI94muidnI 4,402lT18muillahT 5,261yD66muisorpsyD 152fC89muinrofilaC
21 4,56nZ03cniZ 4,211dC84muimdaC 6,002gH08erucreM 9,851bT56muibreT 742kB79muilékreB
esèhtny 11 5,36uC92erviuC 9,701gA74tnegrA 0,791uA97rO 3,751dG46muinilodaG 742mC69muiruC
)2( elobm mon : rab 310,1s rap érapérp = atnega 091 7,859,85iNoC8272lekciNtlaboC 4,6019,201dPhR6454muidallaPmuidohR 1,5912,291tPrI8777enitalPmuidirI 0,2514,051uEmS3626muiporuEmuiramaS 342242mAuP5949muicirémAmuinotulP
ednegél 1 –)1( lom . g ne euqim0,9yseBeuqimota orémun4muillyréB 21C el rus ésab )1( : seton° te C 52 à elpmis rup sproc ud euqisyhp taté )2( m ; ediuqil = trev ; zag = eguor ; edilos = rion 87654 8,559,450,259,059,74eFnMrCViT6252423222reFesènagnaMemorhCmuidanaVenatiT 1,101999,599,292,19uRcToMbNrZ4434241404muinéhtuRmuiténhceTenèdbyloMmuiboiNmuinocriZ 2,0912,6819,3819,0815,871sOeRWaTfH6757473727muimsOmuinéhRenètsgnuTelatnaTmuinfaH 5412,4419,0411,041mPdNrPeCIV16069585muihtémorPemydoéNemydoésarPmuiréC 0,7320,8320,1320,232pNUaPhTIIV39291909muinutpeNmuinarUmuinitcatorPmuirohT
o
ta eria 3 0,54cS12muidnacS 9,88Y93muirttY 9,831aL75enahtnaL 722cA98muinitcA
lo
m essam 2 0,9eB4muillyréB 3,42gM21muiséngaM 1,04aC02muiclaC 6,78rS83muitnortS 3,731aB65muyraB 622aR88muidaR
1 0,1H1enègordyH 9,6iL3muihtiL 0,32aN11muidoS 1,93K91muissatoP 5,58bR73muidibuR 9,231sC55muiséC 322rF78muicnarF
e
d
rio I II III VI V IV IIV
é
p
H PRÉPA TOUT EN UN
1
RE
ANNÉE
CHIMIE
PCSI
AndréDURUPTHY
ProfesseurenclassespréparatoiresaulycéePaul-CézanneàAix-en-Provence
JacquesESTIENNE
Maîtredeconférenceàl’UniversitédeProvence(Aix-Marseille-I)
Docteur-Ingénieurdel’ÉcoleNationaleSupérieuredeChimiedeStrasbourg
MagaliGIACINO
ProfesseurenclassespréparatoiresaulycéePaul-CézanneàAix-en-Provence
AlainJAUBERT
ProfesseurenclassespréparatoiresaulycéeThiersàMarseille
ClaudeMESNIL
ProfesseurenclassespréparatoiresaulycéeHocheàVersailles
aveclacollaborationdeOdileDURUPTHY,ChristineFOURES,ThérèseZOBIRI
Professeursenclassespréparatoires
Compositionetmiseenpage:LaserGraphie
Maquetteintérieure:VéroniqueLefebvre
Maquettedecouverture:GuylaineMoi
©HachetteLivre2010,43quaideGrenelle,75905ParisCedex15
www.hachette-education.com
I.S.B.N. 978-2-0118-1752-5
Tousdroitsdetraduction,dereproductionetd’adaptationréservéspourtouspays.
Le Code de la propriété intellectuelle n’autorisant, aux termes des articles L. 122-4 et L. 122-5 d’une part, que
les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation
collective»,et,d’autrepart,que«lesanalysesetlescourtescitations»dansunbutd’exempleetd’illustration,
« toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses
ayantsdroitouayantscause,estillicite».
Cette représentation ou reproduction par quelque procédé que ce soit, sans autorisation de l’éditeur ou du Centre
français de l’exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, 75006 Paris), constituerait donc une
contrefaçonsanctionnéeparlesarticles425etsuivantsduCodepénal.
A
vant-propos
Cet ouvrage est conforme aux programmes de la classe de première année de « Physique,
ChimieetSciencesdel'Ingénieur»(PCSI).Leshuitpremierschapitresprésententlesnotions
quidoiventêtreétudiéesenpremièrepartie.
Tousleschapitressontconstruitssurlemêmeplan:
•
Le cours expose de façon claire les différents points du programme. De nombreux exem-
ples et des applications permettent une approche concrète et attrayante des diverses notions
abordées. Chaque fois que le programme le suggère, les concepts étudiés sont abordés à l'ai-
de d'une présentation de type TP- cours. Les résultats à retenir sont bien mis en évidence et
sontreprisenfindechapitredansunerubriqueintituléeCeQu'ilFautRetenir(C.Q.F.R.).
•
Les exercices, nombreux et variés, permettent une évaluation progressive et approfondie
des connaissances et capacités. Souvent extraits d' épreuves de concours, ils sont classés en
troisrubriquespermettantdetesterlacompréhensionducoursetlasoliditédesconnaissances
acquises.Desexercicesenrapportaveclestravauxpratiquessontrégulièrementproposésafin
d'aiderplusparticulièrementlesélèvesdanslapréparationdeleursoraux.
L'ouvrageseterminepar:
–
lescorrigésdétaillésdetouslesexercices;
–
desannexes,apportantlescomplémentsindispensablesàlaréalisationdèsledébutdel'an-
née de travaux pratiques utilisant la spectrophotométrie, la conductimétrie, la potentiomé-
trieet lapH-métrie.D'autressontconsacréesàlanomenclatureenChimieinorganiqueet
organique, à des tables de constantes et à une présentation de la spectroscopie infrarouge
utiliséedanslecoursdeChimieOrganiqueetentravauxpratiques.
–
unindextrèscompletterminecelivre.
En écrivant ce livre, nous avons souhaité réaliser un ouvrage agréable, clair et attrayant, qui,
nous l' espérons, permettra à de nombreux étudiants d'apprécier la Chimie, de préparer avec
succèslesconcoursetsaurasusciterchezcertainsunevocationdechimistes.Nousserionstrès
heureuxd'avoiratteintcesobjectifs.
Nousacceptonsbienvolontierslessuggestions,remarquesetcritiquesdenoscollèguesetde
leursétudiants;paravancenouslesenremercions.
Lesauteurs
S
OMMAIRE
1 Classification périodique des éléments ............................................... 5
2 Architecture moléculaire............................................................................. 34
3 Vitesses de réaction...................................................................................... 67
4 Cinétique des réactions complexes........................................................ 100
5 Mécanismes réactionnels en cinétique homogène.......................... 125
6 Stéréochimie des molécules organiques.............................................. 163
7 Réactivité de la double liaison carbone-carbone ............................. 204
8 Organomagnésiens mixtes........................................................................ 234
9 Modèle quantique de l’atome ................................................................. 261
10 Structure électronique des molécules .................................................. 296
11 Interactions de faible énergie ................................................................ 329
12 Composés à liaison carbone-halogène ................................................ 351
13 Composés à liaison simple carbone-azote ......................................... 387
14 Composés à liaison simple carbone-oxygène ................................... 403
15 Applications du premier principe à la chimie ................................... 437
16 Équilibres acido-basiques........................................................................... 478
17 Équilibres de complexation ...................................................................... 523
délit 18 Équilibres de précipitation ........................................................................ 549
un
nonautoriséeest 19 Équilibres d’oxydoréduction..................................................................... 574
photocopie Corrigé des exercices ........................................................................................... 607
reChimie,1année,PCSI–La APrnongerxaemsm..e..s............................................................................................................................................................................................................................ 665852
HPrépa/ index ........................................................................................................................... 685
–
Livre
Hachette
©
4
1
Classification
périodique
des éléments
OBJECTIFS
•Connaître les quatre nombres INTRODUCTION
quantiquespermettantdedécrire
l’étatd’unélectron.
•Savoirquel’énergied’unatome L
estquantifiéeetquelesniveaux a découverte de la structure de l’atome au début du
d’énergiecorrespondantspeuvent
vingtième siècle a marqué une grande étape dans
êtredégénérés.
•Savoirdéterminerlaconfiguration l’avancée des connaissances.
électroniqued’unatomeetdeses
Cependant, de nombreux phénomènes mis en évidence
ionsdansleurétatfondamental
enappliquantleprincipedePauli et demeurant sans interprétation tels que les spectres
et les règles de Klechkowski et
Hund. d’émission des atomes, l’effet Compton, l’effet
•Comprendreetconnaîtrelastruc- Zeeman,…ontconduitlesphysiciensetchimistesduving-
turedelaclassificationpériodique.
tièmesiècleàabandonnerlemodèleclassiquedelaméca-
•Savoirdéfinirl’énergied’ionisa-
tion d’un atome, l’affinité élec- nique newtonienne en particulier et à introduire un
tronique d’un atome et
nouveau modèle : la mécanique quantique.
l’électronégativité de Mulliken
d’unélément.
La mécanique quantique se révèle indispensable pour
•Savoirinterpréterl’évolutionde
décrire les phénomènes qui se produisent à l’échelle
cesgrandeursauseindelaclassi-
ficationpériodique. submicroscopique, c’est-à-dire au niveau des noyaux délit
••QdNS)’éo.untaienorntgiifdeic’ééalltéePimcotnreRonntÉdicqRehusiemE(éiQcqcfu.hUeTa.nerIgmSes. aEnlceotololluclemehvcaiietqmelplueeieersststm,edadienrseaulsualsaynssteceeolmaDidns’es.tuise,fnMripdctreearésntètimdsaotegnoilroleaénpicnëéuvedrltieaonsu,duon…imeqXbIucXoreeemésdiptèaercébldheloieennasnppiréoaèenrss re1année,PCSI–Laphotocopienonautoriséeestun
•gQieuadn’utinficaattoiomned(cefs.nTievremau.xSd).’éner- expérimentales. HPrépa/Chimie,
•I(ncft.eTrperrméta.tSio).ndesspectresderaies HachetteLivre–
©
5
COURS 1 Classificationpériodiquedeséléments
1 Quantification de l’énergie d’un atome
1.1 Interactions matière – rayonnement
Laquantificationdel’énergieaétéintroduiteen1900parM.P pourinter-
LANCK
(*)Lemodèleestappelécorpsnoir:à
préterlerayonnementémispardescorpslorsqu’ilssontchauffésàtempérature
températureconstante,uncorpsnoirest
supposéabsorbertouteslesradiations uniforme(*):ilapostuléqueleséchangesd’énergieentrelamatièreetunrayon-
qu’ilémet. nementmonochromatiquedefréquence(cid:83)nepeuventsefairequeparquantités
finiesd’énergieappeléesquanta.
Unquantumd’énergiecorrespondàlapluspetiteénergiequipeutêtreéchangée.
hestlaconstantedePlanck:
h=6,626.10–34J.s Pourunrayonnementdefréquenceν,cetteénergieapourvaleur:
(cid:99)=h.ν
En1905,pourinterpréterl’effetphotoélectrique(**),A.E aextrapoléle
(**) Les métaux peuvent émettre des INSTEIN
concept de P en considérant qu’un rayonnement monochromatique de
électronslorsqu’ilssontirradiéspardes LANCK
rayonnementsdefréquenceappropriée. fréquence(cid:83)estconstituédeparticulesappeléesphotons.
Unphotonestuneparticuledemassenulle.
L’énergiee dechaquephotondefréquence(cid:83)vaut:
(cid:99)=h.(cid:83)
1.2 Spectre des atomes
1.2.1.Obtentionduspectredel’atomed’hydrogène
Untubeàdéchargeestuntubedeverremuniàsesextrémitésdedeuxélectrodes
métalliquesetquicontientungazsousfaiblepression(danslecasconsidéré,il
s’agitdedihydrogèneàunepressionprochede1,5mbar).
Lorsqu’onappliqueunetensionélevée,del’ordredequelquescentainesdevolts,
entresesélectrodes,uncourantforméd’ionsetd’électronstraverseletubequi
devientluminescent.
Deschocsinélastiquesseproduisententrecesparticulesetlesmoléculesdedihy-
drogène:certainesdecesmoléculesvontsedissocierenatomesd’hydrogène.Ces
atomessontexcitéslorsdescollisionsetvontsedésexciterenémettantdesradia-
tionsélectromagnétiques.L’analyse,parunprismeouunréseau,durayonnement
émispermetd’obtenirlespectred’émissiondel’atomed’hydrogène(doc.1)
1 3 7 1
,5 ,8 ,5 ,5 3
.1 .1 .1 .1 .1 ν
MPSI-PCSI-PTSI–Laphotocopienonautoriséeestundélit (nlm) INFRAR2000014OUG1000E800014V600ISIB500LE400014 300 200015 ULTR150AVIOLET 120 100015 (Hz)
re1année,
Optique, Doc.1 Spectre de l’atome d’hy- 1.2.2.Spectredel’atomed’hydrogèneetdesautresatomes
HPrépa/ drogèneauvoisinagedudomaine Lespectred’émissionobtenupourl’atomed’hydrogèneestdiscontinu:c’estun
HachetteLivre– visible. svpeencttprerednedrreaiqesu.eLceesrtfariénqeusevnacleesudrses;eralldeisatsioonntsqmuoannoticfhiéroesm.atiquesémisesnepeu-
©
6
Classificationpériodiquedeséléments 1 COURS
Commel’atomed’hydrogène,lesatomesdesautresélémentschimiquesontun
a) spectred’émissionconstituéderaies.Cesspectressontcaractéristiquesetpermet-
tentd’identifiercesatomes(doc.2).
b)
1.3 La physique quantique
700 600 500 400
l(nm)
L’interprétationdesspectresd’émissiondesatomesdesdifférentsélémentschi-
miquesn’apuêtrefaiteàl’aidedelamécaniquenewtonienne.Unnouveaumodèle
Doc.2 Spectresd’émissiondedif-
dedescriptiondelamatières’estalorsavérénécessaire:lamécaniquequantique.
férentsatomes.
Lesprincipauxrésultatsdecettethéorieserontprésentésauchapitre9.
Le spectre d’émission (ou d’ab-
sorption)desatomesd’unélément Danscechapitre,nousnouslimiteronsàuneapprocheénergétique.
est toujours constitué des mêmes
raies:ilestcaractéristiquedecetélé-
ment:(a)hélium;(b)mercure. 2 Quantification de l’énergie
2.1 Les nombres quantiques
Enmécaniquequantique,l’étatd’unélectrond’unatomepeutêtredécrità
l’aidedequatrenombresditsquantiquesetnotés:n,(cid:43),m etm.
(cid:43) s
•nestappelénombrequantiqueprincipal.C’estunnombreentierpositif :
L’état d’un électron est décrit par le
quadruplet: n(cid:32)(cid:53)*
(n,(cid:43),m ,m)
(cid:43) s •(cid:43)estappelénombrequantiquesecondaireouazimutal.C’estunnombre
entierpositifounulinférieurouégalàn–1:
(cid:43)(cid:32)(cid:53) 0(cid:19)(cid:43)(cid:19)n–1
• m est appelé nombre quantique magnétique. C’est un entier relatif
(cid:43)
comprisentre–(cid:43)et+(cid:43) :
m (cid:32)(cid:65) –(cid:43)(cid:19)m (cid:19)+(cid:43)
(cid:43) (cid:43)
•m estappelénombrequantiquemagnétiquedespin.Pourunélectron,
s
m peutprendredeuxvaleursseulement:
s
1 1
ms=+(cid:39)(cid:39) ou ms=–(cid:39)(cid:39)
2 2
2.2 Niveaux d’énergie des électrons dans un atome
L’énergied’unélectrond’unatomenepeutprendrequecertainesvaleursbien
(*)Enl’absencedechampélectriqueou
déterminées:cetteénergieestquantifiée.
magnétique.
Cesvaleursnedépendentquedunombrequantiqueprincipalnetdunombre
Lpep(cid:43)nslr’iiteovqnqbeudusaeeraueprnvatdqiarf’utiélieéeonecnfe,aercdirg’tt’eaiuqesinunt-eesàpsl-0s’devéicnarteler1peerqugudrie’se2de.drlaleei3elfn’saestop’4gemexue-t LéLUCA––qlu’eeenillénaeesscnnnstnénnirtieliiiivove:rqvvecnegueeatasaaieruueuuo:sxdndenne’sscl’spéoloudennccn’neoteuodrtrsnrgaarrtraiieteareddossetipomopet(cid:43)ionsmooetn(cnn*ecdde)nqa.sseauaretluaualrceéndédtmgépotoaireauufilnrisbbeéttélileerseàpe.sttpael((ranénnrt,u,éss0n1sou))pmdr;a;odmruedbseelnesdtinev(osenta,aéut(cid:43)nixo)e.ndrs’gésinyeesstrédgmieea.steiqsudesif(fdéorce.n3t)s. reHPrépa/Chimie,1année,PCSI–Laphotocopienonautoriséeestundélit
sDoonct.d3’oLriegsinneostpateicotnrosssc,opp,iqdu,ef.etg ––lleenniivveeaauunndfccoorrrreessppoonnddaauuddoouubblleett((nn,,32)).; HachetteLivre–
©
7