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Université A. Mira de Béjaïa Faculté des Sciences Exactes Département de Chimie

Université A. Mira de Béjaïa Faculté des Sciences Exactes Département de Chimie COURS ET EXERCICES DE CHIMIE MINERALE Zahra GRABA- BENKHODJA 2017-2018 Seth Oklm B O U N G O U S e t h BOUNGOU PREFACE Le cours de chimie minérale présenté dans cet ouvrage, s’adresse principalement aux étudiants de la deuxième année licence de chimie (semestre III) Dans le présent ouvrage consacré aux familles chimiques, le fait de les étudier dans l’ordre où elles se succèdent dans le tableau périodique permet de bien mettre en valeur l’évolution graduelle du caractère métallique de ces éléments, depuis les groupes de la gauche du tableau périodique constitués de métaux jusqu’à ceux de la droite constitués de non métaux et de métaux. J’espère que les étudiants y trouveront un bon support pédagogique. Fy Fy TABLE DES MATIERES Chapitre I: L’hydrogène I.1. Etat naturel .................................................................................................................... 1 I.2. Isotopes de l’hydrogène ................................................................................................ 1 I.3. Propriétés générales de l’hydrogène ............................................................................. 2 I.4. Propriétés physiques du dihydrogène ........................................................................... 2 I.4.1. Conséquences de la faible masse molaire de H2 ....................................................... 3 I.5. Position de l’hydrogène dans le tableau périodique ..................................................... 4 I.6. Composés ioniques de l’hydrogène .............................................................................. 6 I.6.1. Composés formés entre l’hydrogène et les alcalins ou alcalino-terreux ................... 6 I.6.2. Hydrures d’insertion .................................................................................................. 6 I.7. Composés covalents de l’hydrogène ............................................................................ 6 I.8. Réactivité de la molécule H2 ........................................................................................ 7 I.9. Utilisations du dihydrogène .......................................................................................... 8 I.10. Préparation du dihydrogène dans l’industrie .............................................................. 9 I.11. Préparation du dihydrogène au laboratoire ................................................................. 12 I.12. Exercices ..................................................................................................................... 13 Chapitre II : Les alcalins II.1. Etat naturel .................................................................................................................. 14 II.2. Propriétés physiques .................................................................................................... 14 II.3. Propriétés chimiques ................................................................................................... 16 II.3.1. Réactions .................................................................................................................. 16 II.4. Principaux composés des alcalins et leurs utilisations ................................................ 17 II.4.1. Oxydes, peroxydes, superoxydes, sous oxydes et ozonides ..................................... 17 II.4.2. Les hydroxydes ........................................................................................................ 18 II.4.3. Les halogénures ........................................................................................................ 20 II.4.4. Composés d'oxoanions ............................................................................................. 20 II.4.4.1. Carbonates, hydrogénocarbonates ......................................................................... 20 II.4.4.2. Phosphates, nitrates et sulfates .............................................................................. 21 II.5. Préparation .................................................................................................................. 22 II.6. Utilisations .................................................................................................................. 22 Chapitre III: Les alcalino-terreux III.1. Etat naturel ................................................................................................................. 24 III.2. Propriétés physiques .................................................................................................. 25 III.3. Propriétés chimiques .................................................................................................. 26 III.3.1. Réactivité ................................................................................................................ 27 III.4. Principaux composés ................................................................................................. 28 III.4.1. Les oxydes .............................................................................................................. 28 III.4.2. Les hydroxydes ....................................................................................................... 29 III.4.3. Les carbonates et les hydrogénocarbonates ............................................................ 30 III.4.4. Les halogénures ...................................................................................................... 32 III.4.5. Les sulfates ............................................................................................................. 32 III.4.6. Les nitrates et les phosphates .................................................................................. 33 III.5. Préparation des métaux alcalino-terreux ................................................................... 33 III.5.1. Préparation du béryllium ........................................................................................ 33 III.5.2. Préparation du magnésium ..................................................................................... 33 III.6. Utilisations ................................................................................................................ 34 III.7. Exercices .................................................................................................................... 37 Chapitre IV: Eléments du groupe IIIA IV.1. Etat naturel et propriétés générales ............................................................................ 38 IV.2. l’aluminium .................................................................................................. 39 IV.2.1. Propriétés physiques ............................................................................................... 39 IV.2.2. Composés de l’aluminium ...................................................................................... 40 IV.2.2.1. Les oxydes ........................................................................................................... 40 IV.2.2.2. Les hydroxydes .................................................................................................... 41 IV.2.2.3. Halogénures et hydrures ...................................................................................... 42 IV.2.2.4. Quelques autres composés de l’aluminium ......................................................... 43 IV.2.3. Préparation .............................................................................................................. 43 IV.3. Le bore .................................................................................................. 45 IV.3.1. Propriétés générales ................................................................................................ 45 IV.3.2. Composés du bore ................................................................................................... 46 IV.3.2.1. B2O3 et H3BO3 ..................................................................................................... 46 IV.3.2.2. Les halogénures ................................................................................................... 47 IV.3.2.3. Les hydrures ......................................................................................................... 47 IV.3.3. Utilisations .................................................................................................. 48 IV.3.4. Préparation .............................................................................................................. 49 IV.4. Exercices .................................................................................................................... 50 Chapitre V: Eléments du groupe IVA V.1. Etat naturel ................................................................................................................. 51 V.2. Propriétés générales .................................................................................................... 52 V.2.1. Propriétés chimiques ................................................................................................ 52 V.3. Le carbone .................................................................................................................. 55 V.3.1. Structures et propriétés ............................................................................................. 55 V.3.2. Production et usages ................................................................................................. 57 V.3.3. Les oxydes de carbone.............................................................................................. 58 V.3.3.1. Le monoxyde de carbone CO ................................................................................ 58 V.3.3.2. Le dioxyde de carbone CO2 .................................................................................. 60 V.4. Le silicium ................................................................................................................... 63 V.4.1. Les silicates .............................................................................................................. 63 V.4.1.1. Utilisations ............................................................................................................. 64 V.5. Exercices ..................................................................................................................... 67 Chapitre VI: Eléments du groupe VA VI.1. Etat naturel ................................................................................................................. 68 VI.2. Généralités sur l’ensemble du groupe ........................................................................ 69 VI.3. Propriétés physiques .................................................................................................. 69 VI.4. Propriétés chimiques .................................................................................................. 70 VI.5. L’azote ....................................................................................................................... 71 VI.5.1. Le diazote (N2) ........................................................................................................ 71 VI.5.2. L’ammoniac ............................................................................................................ 72 VI.5.2.1. Propriétés physiques ........................................................................................... 72 VI.5.2.2. Propriétés chimiques du gaz et de sa solution aqueuse....................................... 72 VI.5.2.3. Préparation ........................................................................................................... 73 VI.5.3. Les oxydes d’azote .................................................................................................. 74 VI.5.3.1. NO : Oxyde d’azote ............................................................................................. 74 VI.5.3.2. NO2 – N2O4 ......................................................................................................... 75 VI.5.4. L’acide nitrique HNO3 ........................................................................................... 75 VI.5.4.1. Préparation ........................................................................................................... 76 VI.5.4.2. Débouchés ............................................................................................................ 76 VI.6. Le phosphore .............................................................................................................. 76 VI.6.1. Préparation .............................................................................................................. 77 VI.6.2. Les oxydes de phosphore P4O6 et P4O10 ................................................................ 77 VI.7. Exercices .................................................................................................................... 78 Chapitre VII: Eléments du groupe VIA VII .1. Etat naturel .............................................................................................................. 79 VII.2. Généralités sur l’ensemble du groupe ...................................................................... 80 VII.2.1. Propriétés physiques .............................................................................................. 81 VII.2.2. Propriétés chimiques ............................................................................................. 81 VII.3. L’oxygène ................................................................................................................. 82 VII.3.1. Réactivité ............................................................................................................... 83 VII.3.2. Préparation ............................................................................................................ 83 VII.3.3. Les oxydes ............................................................................................................. 83 VII.4. Le dioxyde de dihydrogène ...................................................................................... 85 VII.4.1. Utilisations ............................................................................................................ 85 VII.5. Le trioxygène O3 ..................................................................................................... 86 VII.5.1. Préparation et propriétés ........................................................................................ 86 VII.5.2. Le trioxygène et la pollution ................................................................................. 86 VII.6. Le soufre ................................................................................................................... 87 VII.6.1. Le nombre d’oxydation –II du soufre ................................................................... 88 VII.6.1.1. Le sulfure de dihydrogène H2S .......................................................................... 88 VII.6.2. Le nombre d’oxydation +IV du soufre .................................................................. 89 VII.6.2.1. Le dioxyde de soufre SO2 ................................................................................. 89 VII.6.3. Le nombre d’oxydation +VI du soufre .................................................................. 90 VII.6.3.1. Le trioxyde de soufre SO3 ................................................................................ 90 VII.6.3.2. L’acide sulfurique .............................................................................................. 91 VII.6.4. Pollution de l’air par les oxydes de soufre ............................................................ 93 VII.7. Exercices .................................................................................................................. 95 Chapitre VIII: Eléments du groupe VIIA VIII.1. Etat naturel .............................................................................................................. 96 VIII.2. Propriétés générales ................................................................................................ 97 VIII.2.1. Propriétés physiques et physiologiques ............................................................... 97 VIII.2.2. Propriétés chimiques générales ............................................................................ 97 VIII.2.1.1. Pouvoir oxydant ................................................................................................ 98 VIII.3. Les halogénures d’halogènes .................................................................................. 99 VIII.4. Les halogénures d’hydrogène ................................................................................. 101 VIII.4.1. Utilisations ........................................................................................................... 102 VIII.4.1.1. Fabrication industrielle de HCl ......................................................................... 102 VIII.5. Composés inter-halogénés ...................................................................................... 102 VIII.6. Composés oxygénés des halogènes ........................................................................ 103 VIII.7. Composés organohalogénés .................................................................................... 106 VIII.8. Préparation des halogènes ....................................................................................... 107 VIII.9. Exercices ................................................................................................................. 108 Chapitre IX: Les métaux de transition IX.1. Généralités ................................................................................................................ 109 IX.2. Eléments de transition principaux .............................................................................. 110 IX.2.1. Etat naturel .............................................................................................................. 110 IX.2.2. Propriétés générales des éléments de transition ...................................................... 111 IX.2.2.1. Evolution des propriétés atomiques le long de la 1ère ligne du bloc d ................. 112 IX.2.3. Chimie de la 1ère ligne du bloc d ............................................................................. 114 IX.3. Exercices .................................................................................................. 116 Solutions des exercices .................................................................................................. 117 Références bibliographiques ............................................................................................ 127 Hotep Cours et exercices de chimie minérale 1 Chapitre I: L’hydrogène I.1. Etat naturel L’hydrogène est le principal constituant des étoiles, des nébuleuses et du gaz interstellaire : le soleil par exemple est une énorme boule de gaz, constitué principalement d’hydrogène (environ 75% en masse) et d’hélium (environ 23% en masse). Il est également l’un des principaux constituants de la croûte terrestre qui en contient 0,88% en masse. Cependant l’hydrogène est très peu abondant à l’état de dihydrogène (H2) dans la croûte terrestre car, comme il s’agit d’un gaz de faible densité, le champ de gravitation terrestre n’a pas pu le maintenir au voisinage de la terre. La quantité minime d’hydrogène qu’il y’a dans l’air (environ une partie pour 100000) se trouve surtout dans les couches supérieures de l’atmosphère. Par contre à l’état combiné, l’hydrogène est abondant dans la croûte terrestre : il se trouve combiné à l’oxygène dans l’eau, les composés organiques, les acides, les bases, le sulfure d’hydrogène. I.2. Isotopes de l’hydrogène L’hydrogène est le seul élément dont chaque isotope porte un nom spécifique, car leur différence de masse (comparativement à celle de l'atome d'hydrogène) est significative : du simple au double ou au triple, ce qui explique que, contrairement à ce qui vaut pour les isotopes en général, ces différences peuvent influencer les propriétés chimiques du deutérium ou du tritium par rapport au protium (effet isotopique). L'eau lourde (D2O), qui contient des isotopes d'hydrogène lourd, est par exemple toxique (à forte dose) pour de nombreuses espèces. Les isotopes les plus notables de l'hydrogène sont : • l’hydrogène léger ou protium 1H, le plus abondant (~99,98 % de l'hydrogène naturel). Le noyau est simplement constitué d'un proton et ne possède donc pas de neutron. C'est un isotope stable. • le deutérium 2H (ou D), beaucoup moins abondant (de 0,0082 à 0,0184 % de l'hydrogène naturel, ~0,015 % en moyenne). Le noyau est constitué d'un proton et d'un neutron, c'est aussi un isotope stable. Sur Terre, il est essentiellement présent sous forme d'eau déutérée HDO (eau semi-lourde). Cours et exercices de chimie minérale 2 • le tritium 3H (ou T), présent seulement en quantité infime dans l'hydrogène naturel (un atome de tritium pour 1018 atomes d’hydrogène). Le noyau est constitué d’un proton et de deux neutrons, il est radioactif et se transforme en 3He par émission d'un électron (radioactivité β−). 2H et 3H peuvent participer à des réactions de fusion nucléaire. • le quadrium ou tétradium 4H (ou Q), l'isotope le plus instable de l'hydrogène (sa demi- vie est ultracourte : 1,39 × 10−22 seconde). Il se décompose par émission de neutron. • l'hydrogène 7 (7H), l'isotope le plus riche en neutrons jamais observé. Sa demi-vie est de l'ordre de 10−21 seconde. I.3. Propriétés générales de l’hydrogène Nous donnons dans le tableau I.1, quelques propriétés de l’hydrogène. Tableau I.1. Propriétés de l’hydrogène Nom, uploads/Sante/ cours-graba-zahra-cours-et-exercices-de-chimie-minerale.pdf