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Chimie minérale systématique I Non-métaux et métalloïdes 1 Les éléments chimiqu

Chimie minérale systématique I Non-métaux et métalloïdes 1 Les éléments chimiques 1.1 Le tableau périodique 1.2 Répartition naturelle des éléments 1.3 L'origine des éléments 2 L’hydrogène 2.1 Généralités 2.2 Propriétés et composés 2.3 Production et utilisation 2.4 Les eaux naturelles 3 Les gaz nobles 3.1 Généralités 3.2 Utilisation des corps simples 3.3 Composés de gaz nobles 4 Les halogènes 4.1 Généralités 4.2 Corps simples et hydrures 4.3 Les oxacides 5 Les chalcogènes 5.1 Généralités 5.2 Corps simples et hydrures 5.3 Oxydes et oxacides du soufre 6 Les pnictogènes 6.1 Généralités 6.2 Corps simples et hydrures 6.3 Oxydes et oxacides 7 Les cristallogènes 7.1 Généralités 7.2 Corps simples, hydrures et halogénures 7.3 Oxydes et oxacides 8 Le bore 8.1 Généralités 8.2 Halogénures, oxyde et oxacides 1 Les éléments chimiques : Le tableau périodique Eléments chimiques connus : 118 Eléments chimiques naturels : 91 Eléments chimiques artificiels : 27 Métalloïdes : B, Si, As, At Semi-métaux : Ge, Sb, Te, Po Métaux Non-métaux En général, les métaux apparaîssent dans la nature sous forme cationique, les non-métaux sous forme anionique. 2 Les éléments chimiques : répartition naturelle Abondance terrestre : O 49.9 %, Si 25.8 % Al 7.6 %, Fe 4.7 %, Ca 3.4 % Na 2.6 %, K 2.4 %, Mg 1.9 % H 0.9 %, Ti 0.4 %, N 0.3 % Cl 0.2 %, C 0.09 % Segment d’une coupe du globe 400 km 16 km 2900 km 3500 km Atmospère Lithosphère, hydrosphère, biosphère Manteau de la Terre Noyau de la Terre Région terrestre 3 L’origine des éléments chimiques Modèle du « Big Bang » Suite à une période dense et chaude de l’univers, la matière cosmique primitive (plasma de neutrons, protons et électrons) subit une expansion et se refroidit. Les éléments chimiques naissent par nucléosynthèse. Fusion nuléaire à partir de l’élément hyrogène (proton) se déroulant dans les astres : 4 H 1 1 He + 2 e 4 2 0 1 (*) Cette particule est un positron : e+ T = 5778 K (surface solaire) He + 4 2 Be 8 4 (manteau solaire) He + 4 2 He 4 2 Be 8 4 C 12 6 également : O, Ne, Mg, Si, S atomes plus lourds, maximum de stabilité : Fe et Ni (noyau solaire) (*) (T = 15 millions de degrés au coeur) 4 L’hydrogène : généralités L’hydrogène est l’élément numéro 1 du tableau périodique. C’est l’élément le plus léger et le plus fréquent de l’univers (90 % de la matière cosmique). Corps simple Molécule diatomique : H2 P.E. -253°C, P.F. -259°C M = 2.0154 g/mol ρ = 0.08987 g/l (0°C, 1bar) Isotopes Hydrogène: 1H (1 p+, 1 e-), deutérium: 2H (1 p+, 1 n, 1 e-), tritium: 3H (1 p+, 2 n, 1 e-) Répartition dans l’hydrogène naturel 1 : 10-4 : 10-15 H H Longueur de liaison: 74 pm Energie de liaison: 436 kJ/mol Elément chimique Configuration électronique Abondance terrestre Occurrence naturelle Découverte H 1s1 0.9 % H2O et organiques R. Boyle, 1671 H. Cavendish, 1776 A. Lavoisier, 1783 (1 pm = 10-12 m, 1 Å = 100 pm) 5 L’hydrogène : propriétés et composés L’hydrogène moléculaire peut être décomposé thermiquement en hydrogène atomique. Il peut réagir comme réducteur (avec les non-métaux) ou comme oxydant (avec les métaux). H2(g) 2 H(g) ΔH° = 436 kJ/mol (> 6000 °C : atomique) H2 + ½ O2 H2O H2 + 2 Li 2 LiH Etat d’oxydation: H (+1) Etat d’oxydation: H (-1) Composés moléculaires Hydrures ioniques Exemples: CH4, NH3, H2O, HF Exemples: LiH, NaH, CaH2 H C H H H N H H H O H H H F réseau cristallin formé de Li+ et H- (type NaCl) 6 L’hydrogène : production et utilisation L’hydrogène moléculaire est synthétisé soit à partir de l’eau soit à partir du pétrole. La pro- duction mondiale annuelle est estimée à 300 millions de tonnes. Il est utilisé principalement pour la synthèse de l’ammoniac et du méthanol. CH4 + H2O 3 H2 + CO Craquage du gaz naturel 300 °C 2 CnH2n+2 + O2 2(n+1) H2 + 2n CO 200 °C Oxydation partielle du pétrole 2 H2O 2 H2 + O2 électrolyse 2 NaCl + 2 H2O H2 + Cl2 + 2 NaOH électrolyse Procédés électrolytiques (6 %) Procédés pétrochimiques (> 90 %) Applications synthétiques (> 60 %) N2 + 3 H2 2 NH3 catalyseur CO + 2 H2 CH3OH catalyseur Electrolyse de l’eau Electrolyse chlore-alcali Procédé selon Haber-Bosch Procédé selon Mittasch 7 Les eaux naturelles Les trois quart de la surface terrestre sont recouverts d’eau. Outre H2O liquide, on trouve aussi H2O solide (calottes polaires, glaciers) et H2O gazeux (atmosphère humide). L’éva- poration et la précipitation de l’eau constituent le cycle hydrolytique de la terre. Ions principaux : Na+, K+, Mg2+,Ca2+, Cl-, SO4 2- ; Gaz principaux : CO2, O2 Propriétés physiques de l’eau entraînant des conséquences environmentales L’eau liquide est plus dense que la glace, raison pour laquelle l’eau se dilate en gélant. L’eau possède une grande masse volumique, raison pour laquelle les hydrocarbures flottent à sa surface. L’eau a une capacité calorifique et une chaleur de vaporisation élevées, raison pour laquelle les plans d’eau ont tendance à modérer les variations de température. Substances présentes dans l’eau de mer (salinité moyenne 3.5%) : Ions principaux : Na+, K+, Mg2+,Ca2+, Fe2+, Cl-, SO4 2-, HCO3 - ; Gaz principaux : CO2, O2 Substances présentes dans l’eau douce (salinité moyenne < 0.1%) : Les pluies acides (pH < 5.6) : Sources acides principales : H2SO4 (émissions de SO2) et HNO3 (émissions de NO et NO2) Al2Si2O5(OH)4(s) + 6 H3O+ (aq) 2 Al3+ (aq) + 2 SiO2(s) + 11 H2O(l) Conséquence : Acidification des eaux superficielles et des terreaux argile sable 8 Les gaz nobles : généralités Les gaz nobles (gaz rares) englobent les éléments de la 8ème colonne principale (dénomination classique) ou de la 18ème colonne (dénomination IUPAC) du tab- leau périodique. Ce sont les seuls éléments à exister sous forme atomique dans les conditions normales. Élément chimique Configuration électronique Abondance terrestre Occurrence naturelle Découverte He 1s2 doublet 7.2 · 10-5 % composant mino- ritaire dans l’air W. Ramsay, 1895 Ne 2s22p6 octet 1.3 · 10-3 % composant mino- ritaire dans l’air W. Ramsay, 1898 Ar 3s23p6(3d0) octet (extensible) 1.3 % composant mino- ritaire dans l’air J. W. Rayleigh W. Ramsay, 1894 Kr 4s24p6(4d0) octet (extensible) 2.9 · 10-4 % composant mino- ritaire dans l’air W. Ramsay, 1898 Xe 5s25p6(5d0) octet (extensible) 3.6 · 10-6 % composant mino- ritaire dans l’air W. Ramsay, 1898 Rn 5s25p6(5d0) octet (extensible) 4.6 · 10-17 % trace dans la lithospshère F. E. Dorn, F. Soddy E. Rutherford, 1900 9 Les gaz nobles : utilisation des corps simples L’argon (le seul des gaz nobles qui n’est pas rare) est utilisé en gande quantité. L’hélium et le néon sont aussi largement utilisés, mais le krypton, le xénon et le radon n’ont pas d’applications particulières à cause de leur prix élevé. Elément Ebullition Fusion Utilisation He -269 °C -272 °C Cryogénie (résonnance magnétique nucléaire), gaz vecteur (chromatographie), gaz porteur (dirigeables et ballons) Ne -246 °C -249 °C Techniques d’éclairage (enseignes lumineuses, tubes néon) Ar -186 °C -189 °C Gaz de protection, atmosphère inerte, soudage Kr -154 °C -157 °C Techniques d’éclairage (laser, lampes à éclair) Xe -108 °C -119 °C Techniques d’éclairage (laser, lampes à éclair) Rn -61 °C -71 °C Radiothérapie (traitement des tumeurs malignes) 10 Les gaz nobles: réactivité L’idée de l’inertie des gaz nobles est tombée dans les années 1960 par la synthèse des composés du xénon. Des composés du Kr, Rn et Ar sont également connus. XeF4 Xe + F2 XeF2 400 °C, 1 bar 2 : 1 Xe + 2 F2 XeF4 400 °C, 6 bar 1 : 6 Xe + 3 F2 XeF6 300 °C, 60 bar 1 : 20 Xe F F Xe F F Xe F F F Xe F F F F F Molécules hypervalentes dont les géométries moléculaires découlent des figures de répulsion trigonale bipyramidale, octaédrique et pentagonale bipyramidale octaédrique tétragonal planaire linéaire Solide blanc, F: 129 °C Solide blanc, F: 117 °C Solide blanc, F: 49 °C 11 Les halogènes : généralités Les halogènes englobent les éléments de la 7ème colonne principale (dénomination classique) ou de la 17ème colonne (dénomination IUPAC) du tableau périodique. Ces éléments, très électronégatifs, n’aparaissent pas sous for- me élémentaire dans la nature mais sous forme de composés. Élément chimique Configuration électronique Abondance terrestre Minéraux principaux Découverte F 2s22p5 (7 électrons valentiels) 2.7 · 10-2 % CaF2 (fluorine) Na3AlF6 (cryolite) Ca5(PO4)3F (apatite) H. Moissan, 1886 Cl 3s23p5(3d0) (7 électrons valentiels) 1.9 · 10-1 % NaCl (sel gemme) KCl (sylvinite) KMgCl3 · 6 H2O (carnallite) C. W. Scheele, 1774 Br 4s24p5(4d0) (7 électrons valentiels) 6.0 · 10-4 % AgBr A. J. Balard, 1826 I 5s25p5(5d0) (7 électrons valentiels) 6.0 · 10-6 % Ca(IO3)2 B. Courtois, 1812 At 6s26p5(6d0) (7 électrons valentiels) - trace dans la lithosphère artificiel 1940 naturel 1944 12 Les halogènes : corps simples Les corps simples des halogènes sont des molécules diatomiques dans lesquelles uploads/Geographie/ chimieminsyst-ird.pdf