Devoir Surveillé – Chapitre 2

Classification périodique et ions | Première Bac Pro (Grpt 5) | Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 12 juin 2026

🕑 Durée : 1 heure

🧮 Calculatrice : autorisée

✍ Barème : 20 points

📄 Documents : non autorisés

APP – S'Approprier ANA – Analyser REA – Réaliser VAL – Valider COM – Communiquer

Compétences évaluées :

S'approprier — connaître la structure de l'atome et l'organisation de la classification périodique
Analyser — expliquer la formation d'un ion (gain ou perte d'électrons)
Réaliser — déterminer la charge d'un ion à partir de la position de l'élément, compter les atomes d'une formule brute
Valider — vérifier la cohérence d'une formule d'ion ou d'une affirmation
Communiquer — rédiger une explication scientifique correcte

Socle

DS Socle – Classification périodique et ions
Lis bien chaque question avant de répondre. Les rappels de méthode sont fournis.

Partie A – La structure de l'atome 6 points

Modèle simplifié de l'atome

1. APP Compléter le tableau des particules de l'atome avec : positive, négative, neutre, noyau, autour du noyau. (2 pts)

Particule	Charge	Localisation
Proton	……………	……………
Neutron	……………	noyau
Électron	……………	……………

Rappel : le numéro atomique \(Z\) est le nombre de protons du noyau. Un atome est électriquement neutre.

2. APP Le sodium a pour numéro atomique \(Z = 11\). Combien son noyau contient-il de protons ? (1 pt)

3. APP Combien l'atome de sodium possède-t-il d'électrons ? Justifier en un mot. (1 pt)

4. ANA Vrai ou faux ? Entourer la bonne réponse. (2 pts)

a) Le noyau d'un atome contient les protons et les neutrons. ☐ Vrai ☐ Faux

b) Un atome est chargé positivement. ☐ Vrai ☐ Faux

1. Proton : charge positive, dans le noyau. Neutron : neutre, dans le noyau. Électron : charge négative, autour du noyau.

2. \(Z = 11\) : le noyau contient 11 protons.

3. 11 électrons, car l'atome est neutre (autant d'électrons que de protons).

4. a) Vrai — le noyau regroupe protons et neutrons.
b) Faux — un atome est électriquement neutre : les charges + des protons compensent les charges − des électrons.

Partie B – La classification périodique au laboratoire 7 points

Un technicien de laboratoire range des flacons d'éléments chimiques. Pour s'organiser, il affiche une classification périodique au-dessus de sa paillasse.

1. APP Cocher la bonne réponse : dans la classification périodique, les éléments sont rangés par… (1 pt)

☐ ordre alphabétique ☐ numéro atomique \(Z\) croissant ☐ date de découverte ☐ couleur

2. APP Relier chaque famille à sa colonne du tableau. (3 pts)

Alcalins	• •	Colonne 17
Halogènes	• •	Colonne 18
Gaz nobles	• •	Colonne 1

3. ANA Compléter : les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques ………………… . (1 pt)

4. APP Entourer les métaux dans la liste suivante : fer (Fe) – chlore (Cl) – cuivre (Cu) – oxygène (O) – aluminium (Al) (2 pts)

1. Par numéro atomique \(Z\) croissant.

2. Alcalins → colonne 1 ; Halogènes → colonne 17 ; Gaz nobles → colonne 18.

3. Des propriétés chimiques similaires (voisines).

4. Les métaux sont : fer (Fe), cuivre (Cu), aluminium (Al). Le chlore et l'oxygène sont des non-métaux.

Partie C – Ions et molécules dans l'eau 7 points

Un agent de traitement des eaux lit un rapport d'analyse : l'eau contient des ions sodium Na⁺ et des ions chlorure Cl⁻.

Rappel : un atome qui perd des électrons devient un ion positif (cation) ; un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif (anion).

1. APP Compléter : un cation est un atome qui a ………………… un ou plusieurs électrons ; un anion est un atome qui a ………………… un ou plusieurs électrons. (2 pts)

2. REA L'atome de sodium (\(Z = 11\)) perd 1 électron pour devenir l'ion Na⁺. Compléter : l'ion Na⁺ possède ……… protons et ……… électrons. (2 pts)

3. APP L'ion chlorure Cl⁻ est-il un cation ou un anion ? Cocher la bonne réponse. (1 pt)

☐ un cation ☐ un anion

4. REA L'eau a pour formule brute H₂O et le dioxyde de carbone CO₂. Compléter : une molécule d'eau contient ……… atomes au total ; une molécule de dioxyde de carbone contient ……… atomes au total. (2 pts)

1. Un cation a perdu des électrons ; un anion a gagné des électrons.

2. L'ion Na⁺ possède 11 protons (le noyau ne change pas) et 10 électrons (11 − 1 = 10).

3. Cl⁻ porte une charge négative : c'est un anion.

4. H₂O : 2 + 1 = 3 atomes ; CO₂ : 1 + 2 = 3 atomes.

Standard

DS Standard – Classification périodique et ions
Durée : 1 heure | Calculatrice autorisée | Documents non autorisés

Partie A – Atome et classification périodique 7 points

Une laborantine d'un laboratoire de contrôle qualité vérifie l'étiquetage de produits contenant du calcium (Ca, \(Z = 20\)), du sodium (Na, \(Z = 11\)) et du potassium (K, \(Z = 19\)).

1. APP Donner la définition du numéro atomique \(Z\). (1 pt)

2. REA Indiquer le nombre de protons et le nombre d'électrons de l'atome de calcium. Justifier. (2 pts)

3. APP Expliquer comment les éléments sont organisés dans la classification périodique (ordre de classement, signification des lignes et des colonnes). (2 pts)

4. ANA Le sodium et le potassium appartiennent tous les deux à la colonne 1. Que peut-on en déduire sur leurs propriétés chimiques ? Comment s'appelle cette famille ? (2 pts)

1. Le numéro atomique \(Z\) est le nombre de protons du noyau de l'atome. C'est lui qui définit l'élément chimique.

2. \(Z = 20\) : le calcium possède 20 protons. L'atome étant électriquement neutre, il possède aussi 20 électrons.

3. Les éléments sont rangés par numéro atomique croissant. Chaque ligne (période) correspond à une couche électronique supplémentaire ; chaque colonne (famille) regroupe des éléments aux propriétés chimiques similaires.

4. ANA : Étant dans la même colonne, ils ont des propriétés chimiques similaires (ils forment tous les deux des ions +1). C'est la famille des alcalins.

Partie B – Les ions d'une eau de distribution 7 points

Un agent de traitement des eaux reçoit le rapport d'analyse d'une eau de distribution. Les ions détectés sont présentés ci-dessous.

Ion détecté	Formule	Élément d'origine (\(Z\))
Ion calcium	Ca²⁺	Ca (\(Z = 20\))
Ion magnésium	Mg²⁺	Mg (\(Z = 12\))
Ion chlorure	Cl⁻	Cl (\(Z = 17\))

1. APP Classer les ions du tableau en deux catégories : cations et anions. (2 pts)

2. ANA Expliquer comment l'atome de calcium se transforme en ion Ca²⁺ (préciser la particule échangée et son nombre). (2 pts)

3. REA Calculer le nombre d'électrons de l'ion Ca²⁺. (2 pts)

4. VAL Le chlore est dans la colonne 17 de la classification. Vérifier que la formule Cl⁻ du rapport est cohérente avec cette position. (1 pt)

1. Cations (charge +) : Ca²⁺ et Mg²⁺. Anion (charge −) : Cl⁻.

2. ANA : L'atome de calcium perd 2 électrons : il a alors 2 charges + en excès, d'où la charge 2+. Le noyau (protons, neutrons) ne change pas.

3. L'atome de Ca possède 20 électrons ; l'ion en a perdu 2 : \(20 - 2 = \mathbf{18}\) électrons.

4. VAL : Colonne 17 → l'élément gagne 1 électron → charge −1. La formule Cl⁻ est donc cohérente avec la position du chlore.

Partie C – Molécules en institut de beauté 6 points

Une esthéticienne utilise un appareil à vapeur d'eau pour les soins du visage et des produits effervescents qui libèrent un gaz dans l'eau du bain. La fiche technique mentionne les espèces chimiques suivantes : H₂O, CO₂, O₂ et N₂.

1. APP Donner le nom de chacune des quatre espèces : H₂O, CO₂, O₂, N₂. (2 pts)

2. REA Indiquer la composition de la molécule CO₂ (nature et nombre des atomes), puis le nombre total d'atomes qu'elle contient. (2 pts)

3. ANA Quelle est la différence entre l'atome O, la molécule O₂ et l'ion O²⁻ ? (1 pt)

4. COM Une cliente demande si « le gaz des bulles est dangereux ». Rédiger une phrase de réponse en nommant le gaz CO₂ et en précisant qu'il est aussi présent dans l'air expiré. (1 pt)

1. H₂O : eau ; CO₂ : dioxyde de carbone ; O₂ : dioxygène ; N₂ : diazote.

2. CO₂ = 1 atome de carbone + 2 atomes d'oxygène, soit 3 atomes au total.

3. ANA : O est un atome isolé (neutre) ; O₂ est une molécule formée de 2 atomes d'oxygène liés ; O²⁻ est un ion : un atome d'oxygène qui a gagné 2 électrons (charge 2−).

4. COM : « Le gaz des bulles est du dioxyde de carbone (CO₂) : c'est le même gaz que celui que nous rejetons en respirant, il n'est pas dangereux en si petite quantité. »

Approfondissement

DS Approfondissement – Classification périodique et ions
Durée : 1 heure | Calculatrice autorisée | Documents non autorisés

Partie A – Prévoir les ions à partir du tableau périodique 7 points

Un technicien de laboratoire prépare des solutions ioniques pour des essais. Il dispose des informations suivantes sur cinq éléments :

Élément	Symbole	\(Z\)	Colonne
Potassium	K	19	1
Magnésium	Mg	12	2
Aluminium	Al	13	13
Soufre	S	16	16
Brome	Br	35	17

1. REA Pour chacun des cinq éléments, écrire la formule de l'ion monoatomique qu'il forme. (3 pts)

2. ANA Justifier la formule de l'ion aluminium en expliquant le lien entre la colonne 13 et le nombre d'électrons échangés. (2 pts)

3. REA Calculer le nombre d'électrons de l'ion aluminium et celui de l'ion sulfure. (2 pts)

1. K (colonne 1) → K⁺ ; Mg (colonne 2) → Mg²⁺ ; Al (colonne 13) → Al³⁺ ; S (colonne 16) → S²⁻ ; Br (colonne 17) → Br⁻.

2. ANA : L'aluminium est un métal de la colonne 13 : il perd 3 électrons pour atteindre la configuration stable du gaz noble le plus proche. Ayant perdu 3 charges négatives, il porte la charge 3+, d'où Al³⁺.

3. Al³⁺ : \(13 - 3 = \mathbf{10}\) électrons. S²⁻ : \(16 + 2 = \mathbf{18}\) électrons.

Partie B – Analyse d'une eau industrielle 7 points

Un agent de traitement des eaux analyse l'eau rejetée par un site industriel avant son retour au milieu naturel. Le rapport signale la présence d'ions plomb Pb²⁺ (plomb : \(Z = 82\)) et d'ions cuivre Cu²⁺ (cuivre : \(Z = 29\)), des métaux lourds à surveiller.

1. APP Que signifie la notation Pb²⁺ ? (préciser la particule échangée et son nombre) (1 pt)

2. REA Déterminer le nombre de protons et le nombre d'électrons de l'ion Pb²⁺. (2 pts)

3. ANA L'argon (Ar, colonne 18) est aussi détecté dans l'eau, mais uniquement sous forme d'atomes, jamais sous forme d'ions. Expliquer pourquoi. (2 pts)

4. VAL COM Un stagiaire écrit dans son compte rendu : « l'ion Cu²⁺ est un atome de cuivre qui a gagné 2 protons ». Corriger cette phrase en justifiant. (2 pts)

1. Pb²⁺ est un atome de plomb qui a perdu 2 électrons : c'est un cation portant 2 charges positives.

2. Le noyau ne change pas : 82 protons. Électrons : \(82 - 2 = \mathbf{80}\) électrons.

3. ANA : L'argon est un gaz noble (colonne 18) : sa configuration électronique est déjà stable. Il n'a donc aucune raison de gagner ou de perdre des électrons : il ne forme pas d'ions.

4. VAL/COM : La phrase est fausse : le noyau ne change jamais lors de la formation d'un ion, le nombre de protons reste 29. La phrase correcte est : « l'ion Cu²⁺ est un atome de cuivre qui a perdu 2 électrons ».

Partie C – Gaz et molécules en plasturgie 6 points

Dans une usine de plasturgie, un opérateur utilise du diazote pour protéger certaines matières de l'oxygène de l'air (inertage). La chaudière de l'atelier brûle par ailleurs du méthane, ce qui produit du dioxyde de carbone et de l'eau.

1. APP Écrire les formules brutes des quatre espèces citées : diazote, méthane, dioxyde de carbone, eau. (2 pts)

2. REA Déterminer le nombre total d'atomes contenus dans une molécule de méthane, puis dans trois molécules de dioxyde de carbone. (2 pts)

3. ANA COM Expliquer en une ou deux phrases pourquoi le diazote est un bon gaz d'inertage, alors que le dioxygène ne conviendrait pas. (2 pts)

1. Diazote : N₂ ; méthane : CH₄ ; dioxyde de carbone : CO₂ ; eau : H₂O.

2. CH₄ : 1 carbone + 4 hydrogènes = 5 atomes. Trois molécules de CO₂ : \(3 \times 3 = \mathbf{9}\) atomes (dont \(3 \times 2 = 6\) atomes d'oxygène).

3. ANA/COM : Le diazote N₂ est une molécule très stable et quasiment inerte (il constitue 78 % de l'air sans réagir) : il protège la matière sans la transformer. Le dioxygène O₂, au contraire, est réactif : il entretient les oxydations et les combustions, ce qui est justement ce que l'on veut éviter.