Chapitre 2 – Classification périodique et ions — Exercices

L'analyse d'un sol de chantier révèle la présence des ions suivants : Pb²⁺ (plomb), Cu²⁺ (cuivre), Zn²⁺ (zinc), Al³⁺ (aluminium), SO₄²⁻ (sulfate).

1. Classer ces ions en cations et anions.
2. Pour chaque cation, indiquer la charge et combien d'électrons l'atome a perdu.
3. L'ion Pb²⁺ est un métaux lourd toxique. Donner le numéro atomique du plomb (Z_Pb = 82). Combien d'électrons a l'atome de plomb neutre ? Combien en a l'ion Pb²⁺ ?
4. Pourquoi la présence de ces ions dans le sol peut-elle poser problème pour la construction d'une crèche ?

La corrosion de l'acier (fer) produit des ions Fe²⁺ et Fe³⁺ (rouille). La corrosion de l'aluminium produit Al₂O₃ (couche protectrice).

1. Écrire la transformation de Fe en Fe²⁺ (nombre d'électrons perdus).
2. L'aluminium se corrode aussi en formant Al³⁺. Pourquoi dit-on que la corrosion de l'aluminium est « auto-passivante » (protectrice) alors que celle de l'acier ne l'est pas ?
3. Un géomètre observe des taches orangées sur une armature métallique enterrée. À quel phénomène est-ce dû ? Quel ion est présent ?
4. Pour protéger l'acier contre la corrosion, on peut le galvaniser (recouvrir de zinc). Quel rôle joue le zinc ? (Zinc se corrode préférentiellement à l'acier.)

Dans un solide ionique, les charges des cations et des anions se compensent (électroneutralité). Par exemple, NaCl : 1 Na⁺ et 1 Cl⁻ → charges se compensent (total = 0).

1. Vérifier l'électroneutralité de CaCl₂ (1 Ca²⁺ et 2 Cl⁻).
2. Quel est le rapport d'ions dans Al₂O₃ (ions Al³⁺ et O²⁻) pour respecter l'électroneutralité ?
3. Le sulfate de calcium (plâtre : CaSO₄) contient des ions Ca²⁺ et SO₄²⁻. Vérifier l'électroneutralité.
4. Dans le ciment Portland durci, on trouve des ions Ca²⁺, Si³⁺, O²⁻, OH⁻. Expliquer pourquoi l'électroneutralité est fondamentale pour la stabilité du matériau.

La configuration électronique indique comment les électrons sont répartis dans les couches (K : max 2, L : max 8, M : max 8 pour les premiers éléments).

1. Donner la configuration électronique du magnésium Mg (Z = 12) : K(…) L(…) M(…).
2. Combien d'électrons Mg a-t-il sur sa couche externe ?
3. Quel ion Mg forme-t-il pour remplir sa couche externe (comme le néon, Z = 10, avec 8 électrons en L) ?
4. Le calcium Ca (Z = 20) est dans la même colonne que Mg dans la classification périodique. Quelle charge porte l'ion calcium ? Pourquoi ?

Les matériaux de construction contiennent de nombreux composés ioniques :

• Calcite (CaCO₃) : constituant du calcaire et du ciment
• Quartz (SiO₂) : constituant du sable et du verre
• Chlorure de sodium (NaCl) : parfois présent dans les eaux d'infiltration
• Oxyde d'aluminium (Al₂O₃) : constituant de l'alumine (céramiques)

1. Donner les ions présents dans CaCO₃ (CO₃²⁻ est l'ion carbonate).
2. Le chlorure de sodium NaCl est soluble dans l'eau. Lors de l'évaporation, il recristallise et peut provoquer l'éclatement des matériaux poreux (efflorescence). Expliquer ce phénomène.
3. L'alumine Al₂O₃ est très dure et résistante à la corrosion. En quoi la couche d'alumine à la surface de l'aluminium est-elle utile pour les menuiseries extérieures ?
4. Le ciment Portland durci en réagissant avec l'eau (hydratation). Pourquoi les ions Ca²⁺ et OH⁻ présents dans le ciment durci donnent-ils un pH très basique à l'eau de gâchage ?

Le numéro de masse A = Z + N (Z : protons, N : neutrons). Un élément peut avoir plusieurs isotopes (même Z, N différent).

Le fer a deux isotopes courants : ⁵⁶Fe (Z = 26, A = 56) et ⁵⁴Fe (Z = 26, A = 54).

1. Calculer le nombre de neutrons dans ⁵⁶Fe et ⁵⁴Fe.
2. Ces deux isotopes ont-ils les mêmes propriétés chimiques ? Justifier.
3. La masse molaire du fer est 55,8 g/mol. Pourquoi n'est-elle ni 56 ni 54 exactement ?
4. Un échantillon de fer contient 91,7 % de ⁵⁶Fe et 5,9 % de ⁵⁴Fe (et d'autres isotopes minoritaires). Vérifier approximativement la masse molaire : \(M \approx 0{,}917 \times 56 + 0{,}059 \times 54\).

Une solution contient des ions. Plus elle contient d'ions (et plus leur charge est élevée), plus elle est conductrice. Un technicien mesure la conductivité de différentes solutions à même concentration (0,1 mol/L) :

1. Expliquer pourquoi CaCl₂ conduit mieux que NaCl à même concentration molaire.
2. Pourquoi l'eau distillée conduit très mal ?
3. Un technicien en topographie mesure la conductivité de l'eau d'un puits : 1 500 µS/cm (microSiemens/cm). C'est beaucoup plus que l'eau pure (0,055 µS/cm). Quelle conclusion peut-il tirer ?
4. En géotechnique, la conductivité du sol est utilisée pour détecter les zones polluées. Comment ce principe est-il utilisé ?