QCM : Atomes et propriétés périodiques (52 questions)

Explication

La rétrodiffusion de quelques particules α indique l’existence d’un noyau central dense, qui concentre la charge positive et presque toute la masse. Une charge répartie dans l’atome, un noyau électronique ou une masse distribuée autour du noyau ne correspondent pas à cette conclusion.

Explication

Un atome est électriquement neutre lorsque son nombre d’électrons est égal à son nombre de protons : il possède donc 11 électrons. Dix électrons correspondraient à un cation, douze à un anion, et 22 résulte d’un doublement injustifié.

Explication

Le gain d’électrons rend l’atome chargé négativement : il devient un anion. Un cation résulte d’une perte d’électrons, tandis qu’un atome neutre conserve autant de protons que d’électrons.

Explication

Des atomes ayant le même $Z$ mais des nombres de neutrons différents sont des isotopes du même élément; leur nombre de masse diffère aussi. Un ion se distingue par un gain ou une perte d’électrons, et des éléments différents ont des valeurs de $Z$ différentes.

Explication

Le nombre de masse est la somme des protons et des neutrons : $A=Z+N=8+10=18$. La soustraction, l’utilisation de $Z$ seul et la multiplication ne suivent pas cette relation.

Explication

Une mole est définie comme la quantité contenant autant d’atomes de carbone 12 qu’il y en a dans 12,0000 g de cet isotope, soit le nombre d’Avogadro. L’option « 6,022 × 10²³ g » confond nombre et masse, tandis que 1 g et le nombre de nucléons ne correspondent pas à la définition.

Explication

L’unité u est définie comme un douzième de la masse d’un atome de carbone 12. « La masse entière » omet le facteur un douzième, et les autres réponses prennent pour référence une mole ou introduisent un facteur sans rapport avec la définition.

Explication

La masse molaire est la masse d’une mole d’une espèce atomique, moléculaire ou ionique; elle s’exprime en kg·mol⁻¹ dans le SI et souvent en g·mol⁻¹ en pratique. La masse atomique concerne un atome, tandis que g·mol⁻¹ est une unité de masse molaire et non de quantité de matière.

Explication

La masse molaire naturelle est la moyenne pondérée des masses molaires isotopiques par leurs abondances relatives, dont la somme vaut 1. La moyenne non pondérée néglige les abondances, l’expression inversée attribue les mauvais poids et la somme simple omet toute pondération.

Explication

La relation entre longueur d’onde, célérité et fréquence est $\lambda=\frac{c}{\nu}$; la fréquence est aussi l’inverse de la période. Le produit $c\nu$ et les rapports inversés ne respectent pas cette relation.

Explication

L’effet photoélectrique est l’extraction d’électrons de la matière provoquée par la lumière. L’absorption sans émission, l’émission de lumière et la capture d’électrons désignent des phénomènes différents.

Explication

L’effet photoélectrique apparaît lorsque la fréquence incidente dépasse la fréquence seuil propre au métal; ici $1{,}2\nu_0>\nu_0$. Une fréquence proche du seuil reste néanmoins supérieure, le seuil dépend de la nature du métal et l’intensité ne remplace pas le critère de fréquence.

Explication

Sous la fréquence seuil, l’effet photoélectrique ne se produit pas, quelle que soit l’intensité lumineuse. Augmenter l’intensité ne compense donc pas une fréquence insuffisante; l’émission quasi instantanée concerne une fréquence supérieure au seuil.

Explication

Balmer a identifié quatre raies visibles : Hα rouge, Hβ bleue, Hγ indigo et Hδ violette. Intervertir bleu et indigo confond les couleurs de Hβ et Hγ; remplacer Hδ par une raie infrarouge mélange des régions spectrales; Lyman correspond à une autre série.

Explication

Bohr décrit l’unique électron comme se déplaçant sur une orbite circulaire centrée sur un noyau supposé immobile, le système étant stable. L’orbite elliptique change la forme décrite; un noyau mobile contredit l’hypothèse posée; l’instabilité contredit le caractère stable du modèle.

Explication

La relation est $r_n=(n^2/Z)a_0$; avec $n=3$ et $Z=2$, le rayon vaut $9a_0/2$. $9a_0$ oublie la division par $Z$, $3a_0/2$ remplace $n^2$ par $n$, et $18a_0$ multiplie par $Z$ au lieu de diviser.

Explication

Lors d’une transition descendante, l’énergie du photon émis est la perte d’énergie de l’atome, soit $E_m-E_n$. La différence inversée a le mauvais signe, omettre $h$ confond énergie et fréquence, et additionner les niveaux ne représente pas la variation d’énergie.

Explication

Les niveaux finaux 1, 2, 3, 4 et 5 correspondent respectivement aux séries de Lyman, Balmer, Paschen, Brackett et Pfund; Paschen est dans l’infrarouge. Balmer correspond à $n=2$, Brackett à $n=4$ et Lyman à $n=1$.

Explication

L’énergie d’ionisation vaut $13{,}6Z^2\ \mathrm{eV}$; pour $Z=3$, elle est $13{,}6\times9=122{,}4\ \mathrm{eV}$. $40{,}8\ \mathrm{eV}$ oublie le carré, la valeur négative reprend le signe du niveau lié plutôt que l’énergie nécessaire, et $13{,}6\ \mathrm{eV}$ correspond à $Z=1$.

Explication

Le modèle de Bohr ne prédit pas les déplacements ni les nouvelles raies induits par des champs électrique ou magnétique, appelés effets Stark et Zeeman. Les raies Hα à Hδ relèvent de Balmer, l’affirmation selon laquelle Bohr prédit ces dédoublements nie la limite du modèle, et l’ionisation est un autre phénomène.

Explication

La physique classique traite la matière comme des corpuscules localisés soumis aux lois de Newton, tandis qu’elle décrit le rayonnement comme une onde régie par l’électromagnétisme. Les réponses fondées sur l’association inversée, sur un comportement identique ou sur les seules ondes confondent ces deux descriptions.

Explication

En 1925, Davisson et Germer observent la diffraction des électrons et des phénomènes d’interférences, que la mécanique classique ne peut expliquer dans le cadre de la dualité onde-corpuscule. L’effet Compton correspond à un autre phénomène, l’effet photoélectrique concerne l’interaction lumière-matière, et Stern et Gerlach est une expérience distincte.

Explication

La mécanique quantique décrit la présence de l’électron par une probabilité plutôt que par une trajectoire calculée. Une trajectoire précise relève de la conception classique, tandis qu’une position exacte ou une énergie seule ne correspond pas à cette description probabiliste.

Explication

La relation de De Broglie est $\lambda = \frac{h}{p}$, et pour une particule de quantité de mouvement $p=mv$, elle devient $\lambda = \frac{h}{mv}$. L’inversion place $p$ au numérateur, l’omission de la vitesse ne respecte pas $p=mv$, et l’expression avec $v^2$ introduit un facteur inapproprié.

Explication

La relation d’incertitude impose $\Delta x\,\Delta p \geq \frac{h}{4\pi}$ : le produit ne peut pas être inférieur à cette borne, ce qui empêche de connaître simultanément les deux grandeurs avec grande précision. L’égalité n’est pas imposée dans tous les cas, le signe inférieur inverse la contrainte, et la borne $h$ oublie le facteur $4\pi$.

Explication

Les solutions physiquement acceptables sont quantifiées par les trois nombres quantiques $n$, $l$ et $m$. L’énergie, la position et le moment cinétique sont des grandeurs observables, tandis que la fonction d’onde et le moment cinétique ne remplacent pas le nombre magnétique dans cette liste.

Explication

L’orbitale 1s a une probabilité de présence qui ne dépend pas des angles, ce qui lui confère une symétrie sphérique. La forme à deux lobes correspond aux orbitales p, et celle à quatre lobes est associée à certaines orbitales d.

Explication

Le spin de l’électron vaut $\frac{1}{2}$ et sa projection possède deux valeurs possibles, $+\frac{1}{2}$ et $-\frac{1}{2}$. Les valeurs entières confondent le spin avec d’autres nombres quantiques, tandis que ne retenir que la projection positive oublie l’autre possibilité.

Explication

Le principe de Pauli interdit que deux électrons aient leurs quatre nombres quantiques identiques; dans une même orbitale, ils peuvent donc être deux au maximum et doivent différer par leur spin. L’option qui autorise trois électrons confond la capacité d’une orbitale avec celle d’une sous-couche.

Explication

Les électrons de valence sont les électrons les plus externes, caractérisés par la plus grande valeur de $n$; les autres sont des électrons de cœur. Retenir la plus petite valeur de $n$ revient à désigner les électrons internes, et la sous-couche d ne définit pas à elle seule la valence.

Explication

La configuration réelle du cuivre est $[Ar]\ 4s^1\ 3d^{10}$, plutôt que la configuration $[Ar]\ 4s^2\ 3d^9$ prévue par l’application simple de Klechkowski. La configuration avec $3d^5$ correspond au chrome, et l’occupation de $4p$ ne décrit pas le cas indiqué.

Explication

Le nombre de colonnes d’un bloc correspond au nombre d’électrons que peut accueillir sa sous-couche : le bloc d en compte 10. Les valeurs 6, 2 et 14 correspondent respectivement aux blocs p, s et f.

Explication

Le bloc f est isolé sous le reste du tableau pour des raisons de commodité de présentation, sans être exclu du tableau périodique. L’idée d’une période différente ou d’une absence de configuration électronique ne justifie pas cette disposition.

Explication

Le numéro de la période est défini par la valeur maximale de n dans la couche de valence : une valeur maximale de 4 correspond donc à la quatrième période. Une famille est une colonne, tandis que la valeur minimale de n et le nombre d’électrons de valence ne déterminent pas la période.

Explication

Les éléments d’une même famille partagent le même nombre d’électrons de valence et le même type de réactivité chimique, en plus d’une configuration électronique qui se termine de façon semblable. Le nombre de protons varie d’un élément à l’autre, et les éléments d’une famille ne sont pas définis par un nombre identique de couches.

Explication

Le modèle représente électrostatiquement les répulsions par un masquage du potentiel nucléaire. Une attraction entre électrons inverse le sens de l’interaction, une modification du nombre de protons altère la charge nucléaire réelle, et une suppression de l’attraction ne décrit pas l’écran.

Explication

Les électrons internes s’interposent entre le noyau et les électrons externes, ce qui réduit l’influence nucléaire ressentie par ces derniers. Renforcer cette influence ou augmenter la charge ressentie inverse l’effet d’écran, tandis que la répulsion du noyau sur l’électron interne ne décrit pas le mécanisme visé.

Explication

La relation est $Z^*=Z(1-\sigma)$ ; ici, $16(1-0,25)=16\times0,75=12$. La valeur 15,75 provient de $Z-\sigma$, 20 d’une augmentation par l’écran et 4 du produit $Z\sigma$.

Explication

La charge effective vaut $Z_i^*=Z-\sum_j\sigma_{i,j}$ ; la somme des écrans est $0,30+0,70=1,00$, donc $Z_i^*=9-1=8$. La valeur 3 multiplie Z par l’écran total, 9 omet une contribution et 10 ajoute l’écran au lieu de le soustraire.

Explication

La formule donne $E_{nl}=-13,6\times\frac{(Z^*)^2}{n^2}$ ; ainsi, $-13,6\times\frac{9}{4}=-30,6\ \text{eV}$. La valeur −10,2 oublie le carré de $Z^*$, −61,2 utilise $n$ plutôt que $n^2$, et +30,6 omet le signe négatif.

Explication

Le rayon est $r_{nl}=a_0\frac{n^2}{Z^*}$ ; en remplaçant, $r_{nl}=a_0\frac{9}{2}=\frac{9}{2}a_0$. La valeur $\frac{2}{9}a_0$ inverse le rapport, $\frac{3}{2}a_0$ remplace $n^2$ par $n$, et $9a_0$ omet la division par $Z^*$.

Explication

Chaque électron occupant une orbitale de Slater possède l’énergie de cette orbitale, qui dépend de $n$, de $l$ et de la configuration étudiée. Des énergies individuelles liées à la position confondent l’orbitale avec la position instantanée ; ignorer la configuration ou les nombres quantiques omet des facteurs déterminants.

Explication

La charge effective augmente de $0{,}65$ par case, donc deux cases correspondent à $2\times 0{,}65=1{,}30$. Une hausse de $0{,}65$ oublie une case, tandis que les baisses inversent la tendance.

Explication

Le rayon atomique augmente lorsqu’on descend dans une famille. Le choix de l’élément plus haut inverse cette tendance; la comparaison gauche-droite concerne une période, et l’énergie d’ionisation évolue en sens opposé au rayon.

Explication

$EI_1$ est l’énergie associée à l’arrachement d’un électron à un atome gazeux neutre, formant un cation gazeux. Le passage de $M^+$ à $M^{2+}$ est une ionisation successive, tandis que l’ajout d’un électron décrit une capture.

Explication

Les énergies d’ionisation successives sont toutes positives et augmentent d’une étape à l’autre : $0<EI_1<EI_2<EI_3$. L’ordre décroissant l’inverse, l’égalité nie leur augmentation et une valeur négative contredit le fait qu’il faut fournir de l’énergie.

Explication

Le modèle de Bohr associe des énergies électroniques quantifiées à certaines orbites circulaires autour du noyau. Rutherford est associé à un modèle nucléaire, Schrödinger à la description quantique moderne et Thomson au modèle du « plum-pudding ».

Explication

La masse du neutron est légèrement supérieure à celle du proton, avec un rapport d’environ 1,0014. La comparaison inversée échange les deux particules, le facteur 1836 concerne le proton et l’électron, et l’électron est beaucoup moins massif que le neutron.

Explication

La masse atomique moyenne tient compte des abondances des isotopes ; pour le carbone naturel, elle vaut 12,01 u et la masse molaire correspondante vaut 12,01 g·mol⁻¹. 13,00 néglige la composition isotopique, 12,00 retient la masse de l’isotope majoritaire et la dernière réponse inverse les unités.

Explication

Dans la série de Balmer, le niveau inférieur est $n=2$ et le niveau supérieur est l’entier $m\geq3$, d’où cette différence de termes. $n=1$ correspond à la série de Lyman, $n=3$ à celle de Paschen, et l’ordre inversé donnerait un nombre d’onde négatif.

Explication

L’expérience de Stern et Gerlach a montré qu’il fallait ajouter un quatrième nombre quantique, associé au spin de l’électron. Confondre le spin avec le nombre magnétique ou affirmer que trois nombres suffisent méconnaît cette conclusion.

Explication

Mendeleïev a principalement ordonné les éléments selon leur masse atomique croissante et a réservé des cases aux éléments qui n’étaient pas encore découverts. Le numéro atomique croissant correspond à une autre organisation historique du tableau.