QCM : Atomistique et cinétique chimique — 27 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle structure décrit correctement un atome électriquement neutre ?

Un noyau positif de protons entouré d’un nuage de neutrons et d’ions
Un noyau négatif d’électrons et de neutrons entouré d’un nuage de protons
Un noyau neutre de protons et d’électrons entouré d’un nuage de neutrons
Un noyau positif de protons et de neutrons entouré d’un nuage d’électrons

Un noyau positif de protons et de neutrons entouré d’un nuage d’électrons

Explication

Un atome neutre possède un noyau contenant des protons et des neutrons, ainsi qu’un nuage électronique. Sa neutralité électrique vient de l’égalité entre le nombre de protons et d’électrons, contrairement à un ion.

2. Pour un atome noté ZAX^{A}_{Z}X, quelle relation donne son nombre de neutrons ?

N=A+ZN=A+Z
N=AZN=\frac{A}{Z}
N=A−ZN=A-Z
N=Z−AN=Z-A

$$N=A-Z$$

Explication

Le nombre de masse AA compte tous les nucléons, tandis que ZZ compte les protons ; la soustraction donne donc N=A−ZN=A-Z. L’expression Z−AZ-A produirait une valeur négative pour un atome courant.

3. Deux isotopes d’un même élément se distinguent par quelle caractéristique ?

Ils ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents
Ils ont le même nombre de nucléons mais des nombres de protons différents
Ils ont des nombres de protons différents mais le même nombre de neutrons
Ils ont des propriétés chimiques différentes en raison de masses identiques

Ils ont le même nombre de protons mais des nombres de neutrons différents

Explication

Des isotopes possèdent le même numéro atomique ZZ, mais des nombres de masse AA différents, ce qui implique des nombres de neutrons différents. Ils conservent ainsi des propriétés chimiques identiques, tandis que certaines propriétés physiques diffèrent.

4. Combien d’entités contient approximativement une mole de substance ?

6,022×10236,022\times10^{23} entités
6,022×10−236,022\times10^{-23} entités
1,602×10191,602\times10^{19} entités
9,1094×10−319,1094\times10^{-31} entités

$$6,022\times10^{23}$$ entités

Explication

Le nombre d’Avogadro est NA=6,022×1023 mol−1N_A=6,022\times10^{23}\,\mathrm{mol}^{-1}, ce qui correspond au nombre d’entités présentes dans une mole. Les autres valeurs renvoient à des constantes ou à des ordres de grandeur différents.

5. Pourquoi le modèle de Rutherford est-il incompatible avec les spectres de raies observés ?

Il attribue aux neutrons une énergie variable, alors que les raies proviennent des protons
Il prévoit une énergie continue, alors que les raies correspondent à des niveaux discrets
Il exclut le mouvement de l’électron, alors que les raies résultent d’un mouvement circulaire
Il prévoit des niveaux discrets, alors que les raies correspondent à une énergie continue

Il prévoit une énergie continue, alors que les raies correspondent à des niveaux discrets

Explication

Le modèle de Rutherford prévoit une variation continue de l’énergie de l’électron. Les spectres de raies observés nécessitent au contraire des niveaux d’énergie discrets.

6. Dans le modèle de Bohr, quelle est l’énergie de l’électron d’hydrogène pour n=2n=2 ?

−6,8 eV-6,8\,\mathrm{eV}
−3,4 eV-3,4\,\mathrm{eV}
−27,2 eV-27,2\,\mathrm{eV}
−13,6 eV-13,6\,\mathrm{eV}

$$-3,4\,\mathrm{eV}$$

Explication

La relation de Bohr est En=−13,6n2 eVE_n=-\frac{13,6}{n^2}\,\mathrm{eV} ; pour n=2n=2, elle donne E2=−13,6/4=−3,4 eVE_2=-13,6/4=-3,4\,\mathrm{eV}. La valeur −13,6 eV-13,6\,\mathrm{eV} correspond à l’état fondamental n=1n=1.

7. Comment la mécanique quantique décrit-elle l’électron dans l’atome ?

Par une probabilité de présence plutôt que par une trajectoire précise
Par une énergie continue indépendante de sa région de présence
Par une position fixe au centre du noyau atomique
Par une trajectoire circulaire précise autour du proton

Par une probabilité de présence plutôt que par une trajectoire précise

Explication

La mécanique quantique associe l’électron à une fonction d’onde permettant de déterminer une probabilité de présence. Cette description remplace l’idée d’une trajectoire classique parfaitement définie.

8. Selon la relation de De Broglie, que devient la longueur d’onde d’une particule lorsque sa quantité de mouvement augmente ?

Elle reste constante, car elle ne dépend pas de la vitesse
Elle devient nulle, car elle est égale à la masse de la particule
Elle diminue, car λ=hmv\lambda=\frac{h}{mv}
Elle augmente, car λ=hmv\lambda=hmv

Elle diminue, car $$\lambda=\frac{h}{mv}$$

Explication

La relation de De Broglie, proposée en 1924, est λ=hmv\lambda=\frac{h}{mv} : la longueur d’onde varie donc en sens inverse de la quantité de mouvement. Une quantité de mouvement plus grande entraîne une longueur d’onde plus petite.

9. Dans l’équation de Schrödinger stationnaire Hψ=EψH\psi=E\psi, que représente ψ\psi ?

La masse de l’électron multipliée par sa vitesse
La fonction d’onde décrivant l’état ondulatoire de l’électron
L’opérateur hamiltonien représentant l’énergie du système
L’énergie totale propre de l’électron dans l’atome

La fonction d’onde décrivant l’état ondulatoire de l’électron

Explication

Dans cette équation, ψ\psi est la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de l’électron, tandis que HH est l’opérateur hamiltonien. Confondre ψ\psi avec l’énergie revient à inverser le rôle des grandeurs de l’équation.

10. Quelle association entre nombre quantique et propriété électronique est correcte ?

nn définit le spin, ll l’orientation, mm la couche et msm_s la sous-couche
nn définit la sous-couche, ll la couche, mm le spin et msm_s l’orientation
nn définit la couche, ll la sous-couche, mm l’orientation et msm_s le spin
nn définit l’orientation, ll le spin, mm la sous-couche et msm_s la couche

$$n$$ définit la couche, $$l$$ la sous-couche, $$m$$ l’orientation et $$m_s$$ le spin

Explication

Le nombre principal nn caractérise la couche, ll la sous-couche et sa forme, mm l’orientation spatiale, et msm_s le spin, égal à +1/2+1/2 ou −1/2-1/2. Les autres associations permutent ces rôles.

11. Quel est l’ordre de remplissage correspondant à la règle de Klechkowski après la sous-couche 3p3p ?

5s, 4p, 3d, 4s5s,\ 4p,\ 3d,\ 4s
4p, 5s, 3d, 4s4p,\ 5s,\ 3d,\ 4s
3d, 4s, 4p, 5s3d,\ 4s,\ 4p,\ 5s
4s, 3d, 4p, 5s4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s

$$4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s$$

Explication

La règle de Klechkowski donne notamment la succession 3p, 4s, 3d, 4p, 5s3p,\ 4s,\ 3d,\ 4p,\ 5s. La proposition plaçant 3d3d avant 4s4s ne respecte donc pas l’ordre de remplissage indiqué.

12. Que mesure l’énergie d’ionisation d’un atome isolé ?

L’énergie absorbée lors de la formation d’une liaison
L’énergie minimale nécessaire pour lui arracher un électron
L’énergie nécessaire pour dissocier son noyau
L’énergie libérée lorsqu’il gagne un électron

L’énergie minimale nécessaire pour lui arracher un électron

Explication

L’énergie d’ionisation correspond à l’énergie minimale permettant d’extraire un électron d’un atome isolé. L’énergie libérée lors du gain d’un électron relève de l’affinité électronique, et non de l’ionisation.

13. Comment évolue l’énergie d’ionisation lorsque la distance entre le noyau et l’électron périphérique augmente ?

Elle reste constante, car elle dépend principalement de la masse atomique
Elle diminue, car l’attraction exercée par le noyau devient plus faible
Elle devient nulle, car l’électron cesse d’être soumis au noyau
Elle augmente, car l’électron acquiert une énergie potentielle plus élevée

Elle diminue, car l’attraction exercée par le noyau devient plus faible

Explication

Une distance noyau-électron plus grande réduit l’attraction électrostatique et facilite donc l’arrachement de l’électron. Une distance accrue ne supprime pas l’attraction et ne rend pas l’énergie d’ionisation constante.

14. Quel groupement correspond à l’ion sulfate ?

PO43−\mathrm{PO_4^{3-}}
CN−\mathrm{CN^-}
NO3−\mathrm{NO_3^-}
SO42−\mathrm{SO_4^{2-}}

$$\mathrm{SO_4^{2-}}$$

Explication

L’ion sulfate est le groupement SO42−\mathrm{SO_4^{2-}}. NO3−\mathrm{NO_3^-} désigne le nitrate, PO43−\mathrm{PO_4^{3-}} le phosphate et CN−\mathrm{CN^-} le cyanure.

15. Comment nomme-t-on le composé ionique Ca(OH)2\mathrm{Ca(OH)_2} selon la règle de nomenclature indiquée ?

Calcium hydroxyde
Oxyde de calcium hydraté
Hydroxyde de calcium
Dihydrogène de calcium

Hydroxyde de calcium

Explication

Dans un composé ionique, l’anion est nommé avant le cation : OH−\mathrm{OH^-} est l’hydroxyde et Ca2+\mathrm{Ca^{2+}} est le calcium. Le composé se nomme donc hydroxyde de calcium.

16. Comment définit-on la vitesse de réaction ?

Par la variation des réactifs ou des produits au cours du temps
Par la différence entre la température finale et la température initiale
Par la quantité totale de matière présente à l’état initial
Par l’énergie nécessaire pour rompre toutes les liaisons réactives

Par la variation des réactifs ou des produits au cours du temps

Explication

La vitesse de réaction décrit l’évolution temporelle de la quantité ou de la concentration des réactifs consommés et des produits formés. Elle ne correspond ni à la quantité initiale de matière ni directement à une variation de température ou d’énergie de liaison.

17. Pour la réaction 2A+B→3C\mathrm{2A+B\rightarrow3C}, quelle expression représente correctement la vitesse de réaction ?

v=−2d[A]dt=−d[B]dt+3d[C]dtv=-2\frac{d[A]}{dt}=-\frac{d[B]}{dt}+3\frac{d[C]}{dt}
v=−12d[A]dt=−d[B]dt=13d[C]dtv=-\frac{1}{2}\frac{d[A]}{dt}=-\frac{d[B]}{dt}=\frac{1}{3}\frac{d[C]}{dt}
v=−d[A]dt−d[B]dt−d[C]dtv=-\frac{d[A]}{dt}-\frac{d[B]}{dt}-\frac{d[C]}{dt}
v=12d[A]dt=d[B]dt=13d[C]dtv=\frac{1}{2}\frac{d[A]}{dt}=\frac{d[B]}{dt}=\frac{1}{3}\frac{d[C]}{dt}

$$v=-\frac{1}{2}\frac{d[A]}{dt}=-\frac{d[B]}{dt}=\frac{1}{3}\frac{d[C]}{dt}$$

Explication

Chaque variation de concentration est divisée par son coefficient stœchiométrique, avec un signe négatif pour les réactifs et positif pour le produit. L’expression correcte est donc celle qui utilise les facteurs 12\frac{1}{2} et 13\frac{1}{3} avec les signes appropriés.

18. Quels facteurs peuvent modifier la vitesse d’une réaction chimique ?

La concentration des réactifs, la température et un catalyseur
La concentration des produits, le volume du récipient et la luminosité
La masse des produits, la pression extérieure et la couleur du milieu
La quantité de solvant, la forme du récipient et la masse du catalyseur

La concentration des réactifs, la température et un catalyseur

Explication

La vitesse dépend notamment de la concentration des réactifs, de la température et de la présence d’un catalyseur. Les autres propositions regroupent des paramètres qui ne constituent pas les facteurs cinétiques indiqués ici.

19. Dans la loi v=k[A]α[B]βv=k[A]^\alpha[B]^\beta, que représente la somme α+β\alpha+\beta ?

L’ordre global de la réaction
La constante de vitesse de la réaction
La concentration initiale totale des réactifs
Le coefficient stœchiométrique du produit principal

L’ordre global de la réaction

Explication

Les exposants α\alpha et β\beta sont les ordres partiels associés aux réactifs, et leur somme donne l’ordre global. La constante de vitesse est représentée par kk, tandis que les autres grandeurs ne sont pas définies par cette somme.

20. Quelle caractéristique définit une réaction élémentaire selon la règle de Van’t Hoff ?

Elle se déroule en plusieurs étapes et son ordre global vaut toujours un
Elle se déroule en une étape et ses ordres partiels égalent les coefficients stœchiométriques
Elle atteint rapidement l’équilibre et ses concentrations restent constantes
Elle possède un catalyseur et ses ordres partiels sont indépendants de la stœchiométrie

Elle se déroule en une étape et ses ordres partiels égalent les coefficients stœchiométriques

Explication

Une réaction élémentaire correspond à une seule étape, et ses ordres partiels sont égaux aux coefficients stœchiométriques selon la règle de Van’t Hoff. Une réaction en plusieurs étapes ne permet pas d’appliquer directement cette égalité à l’équation globale.

21. Pour une réaction d’ordre zéro, quelle relation décrit la concentration au cours du temps ?

1[A]t=1[A]0+akt\frac{1}{[A]_t}=\frac{1}{[A]_0}+akt
[A]t=[A]0exp⁡(−akt)[A]_t=[A]_0\exp(-akt)
ln⁡[A]t=ln⁡[A]0−akt\ln[A]_t=\ln[A]_0-akt
[A]t=[A]0−akt[A]_t=[A]_0-akt

$$[A]_t=[A]_0-akt$$

Explication

La loi intégrée d’une réaction d’ordre zéro est linéaire en concentration : [A]t=[A]0−akt[A]_t=[A]_0-akt. La relation logarithmique correspond à l’ordre un, tandis que la relation en inverse de concentration correspond à l’ordre deux.

22. Quelle propriété caractérise le temps de demi-réaction d’une réaction d’ordre un ?

Il vaut [A]02ak\frac{[A]_0}{2ak} et augmente avec [A]0[A]_0
Il vaut ln⁡2ak\frac{\ln 2}{ak} et ne dépend pas de [A]0[A]_0
Il vaut 2akln⁡2\frac{2ak}{\ln 2} et augmente avec la constante de vitesse
Il vaut 1ak[A]0\frac{1}{ak[A]_0} et diminue quand [A]0[A]_0 augmente

Il vaut $$\frac{\ln 2}{ak}$$ et ne dépend pas de $$[A]_0$$

Explication

Pour l’ordre un, le temps de demi-réaction est t1/2=ln⁡2akt_{1/2}=\frac{\ln2}{ak}, ce qui le rend indépendant de la concentration initiale. La dépendance en [A]0[A]_0 apparaît pour les ordres zéro et deux, avec des expressions différentes.

23. Quelle expression donne le temps de demi-réaction d’une réaction d’ordre deux ?

t1/2=ak[A]02t_{1/2}=\frac{ak[A]_0}{2}
t1/2=[A]02akt_{1/2}=\frac{[A]_0}{2ak}
t1/2=ln⁡2akt_{1/2}=\frac{\ln2}{ak}
t1/2=1ak[A]0t_{1/2}=\frac{1}{ak[A]_0}

$$t_{1/2}=\frac{1}{ak[A]_0}$$

Explication

Pour une réaction d’ordre deux, le temps de demi-réaction vaut 1ak[A]0\frac{1}{ak[A]_0} et dépend inversement de la concentration initiale. La formule ln⁡2ak\frac{\ln2}{ak} appartient à l’ordre un, tandis que [A]02ak\frac{[A]_0}{2ak} appartient à l’ordre zéro.

24. Dans un mécanisme réactionnel comportant plusieurs étapes, quelle étape détermine principalement la vitesse globale ?

L’étape la plus rapide, associée à la plus forte constante de vitesse
L’étape qui forme le produit final, quelle que soit sa vitesse
L’étape la plus lente, associée à la plus faible constante de vitesse
L’étape qui consomme la plus grande quantité de réactif initial

L’étape la plus lente, associée à la plus faible constante de vitesse

Explication

L’étape limitante est la plus lente et possède la constante de vitesse la plus faible, ce qui impose la vitesse globale. L’étape de formation du produit final peut être rapide et ne détermine donc pas nécessairement la cinétique d’ensemble.

25. Pour quel constituant l’approximation de l’état quasi-stationnaire est-elle pertinente ?

Un réactif initial dont la concentration diminue régulièrement
Un intermédiaire très réactif dont la concentration varie peu
Un catalyseur dont la concentration augmente après chaque étape
Un produit final qui s’accumule au cours de la réaction

Un intermédiaire très réactif dont la concentration varie peu

Explication

L’AEQS concerne un intermédiaire réactionnel très réactif dont la concentration reste presque constante, ce qui revient à considérer sa dérivée temporelle comme approximativement nulle. Elle ne s’applique pas automatiquement à un réactif initial, dont la concentration évolue au cours de la réaction.

26. Quelle représentation illustre une réaction complexe successive ?

Le mécanisme A→B→CA \rightarrow B \rightarrow C, où BB est un intermédiaire
Le mécanisme A⇌BA \rightleftharpoons B, avec retour possible vers le réactif
Le mécanisme A→CA \rightarrow C et A→DA \rightarrow D, avec deux voies concurrentes
Le mécanisme A+B→CA + B \rightarrow C en une seule transformation élémentaire

Le mécanisme $$A \rightarrow B \rightarrow C$$, où $$B$$ est un intermédiaire

Explication

Une réaction successive comporte plusieurs étapes en chaîne, comme A→B→CA \rightarrow B \rightarrow C, où le produit d’une étape devient le réactif de la suivante. Une transformation réversible ou deux voies issues du même réactif correspond à une autre organisation mécanistique.

27. Selon la loi d’Arrhénius, comment varie la constante de vitesse lorsque la température augmente, toutes choses égales par ailleurs ?

Elle diminue, car l’énergie d’activation devient plus élevée
Elle devient nulle, car la réaction atteint son équilibre chimique
Elle reste constante, car le facteur préexponentiel fixe la vitesse
Elle augmente, car le facteur exponentiel devient moins défavorable

Elle augmente, car le facteur exponentiel devient moins défavorable

Explication

Dans k=Aexp⁡(−EaRT)k=A\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right), une hausse de la température rend l’exposant moins négatif et augmente donc kk. L’énergie d’activation est une caractéristique de la barrière considérée, et la loi cinétique ne signifie pas que la constante devient nulle à l’équilibre.

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Mémorisez les réponses avec 54 flashcards sur Atomistique et cinétique chimique.

De quoi est constitué un atome électriquement neutre ?

D'un noyau positif avec protons et neutrons, entouré d'un nuage d'électrons.

Que représente Z dans la notation ZAX^{A}_{Z}X ?

Le nombre de protons.

Comment calcule-t-on le nombre de neutrons N dans ZAX^{A}_{Z}X ?

N vaut A−ZA-Z.

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