Devoir Surveillé – Chapitre 7

Structure de la matière – Atomes, ions, molécules | 2^de Bac Pro

🎯 Objectifs du chapitre cliquer pour développer

Décrire la structure d’un atome (noyau, électrons, nombres Z et A).
Distinguer atome, ion et molécule ; identifier cations et anions.
Lire et interpréter une formule brute.
Relier l’état physique de la matière à l’organisation microscopique des particules.
Appliquer ces notions aux matériaux rencontrés en menuiserie.

🕑 Durée : 1 heure

🧮 Calculatrice : autorisée

✍ Barème : 20 points

📄 Documents : non autorisés

Exercice 1 – Constituants de l’atome 10 points

On donne la notation symbolique de l’atome d’aluminium : \(\;^{27}_{13}\text{Al}\;\)

1. (2 pts) Dans la notation \(^A_Z X\), que représente Z ? Que représente A ?

Z = ………………………………
A = ………………………………

2. (2 pts) Pour l’aluminium, donner la valeur de Z et de A :

Z = …… | A = ……

3. (2 pts) Combien de protons possède l’atome d’aluminium ? Combien d’électrons ?

Nombre de protons = Z = ……
Nombre d’électrons = …… (rappel : atome neutre → autant d’électrons que de protons)

4. (2 pts) Calculer le nombre de neutrons. Rappel : N = A − Z

N = …… − …… = …… neutrons

5. (2 pts) Compléter le même travail pour l’atome de fer \(\;^{56}_{26}\text{Fe}\;\) :

Atome	Z (protons)	A (masse)	N (neutrons)	Électrons
Al	13	27	?	?
Fe	?	?	?	?

1. Z = numéro atomique = nombre de protons. A = nombre de masse = protons + neutrons.

2. Z = 13, A = 27.

3. 13 protons, 13 électrons (atome neutre).

4. N = 27 − 13 = 14 neutrons.

5. Al : N = 14, électrons = 13. | Fe : Z = 26, A = 56, N = 56 − 26 = 30, électrons = 26.

Exercice 2 – Ions et molécules en atelier 10 points

En atelier de menuiserie, les clous en acier rouillent au contact de l’air humide. La rouille contient l’ion fer Fe²⁺.

1. (2 pts) L’ion Fe²⁺ a une charge +2. Le fer a-t-il perdu ou gagné des électrons ? Combien ?

Indice : charge positive → il a ………… (perdu/gagné) …… électron(s).

2. (2 pts) L’ion Fe²⁺ est-il un cation ou un anion ? Justifier.

3. (2 pts) La formule de la rouille est Fe₂O₃. Combien y a-t-il d’atomes de fer ? D’oxygène ? Au total ?

Atomes de fer : …… | Atomes d’oxygène : …… | Total : ……

4. (2 pts) L’acier est un alliage de fer et de carbone. Est-ce un corps pur ou un mélange ? Justifier.

5. (2 pts) Parmi ces substances, entourer les corps purs : eau distillée H₂O | air | aluminium Al | vinaigre

1. Charge positive → il a perdu 2 électrons.

2. C’est un cation (charge positive : il a perdu des électrons, pas gagné).

3. 2 atomes Fe + 3 atomes O = 5 atomes au total.

4. L’acier est un mélange (alliage) car il contient deux espèces chimiques différentes (fer et carbone).

5. Corps purs : eau distillée H₂O (corps pur composé) et aluminium Al (corps pur simple). L’air et le vinaigre sont des mélanges.

Exercice 1 – Notation symbolique et composition des atomes 10 points

On considère les atomes suivants : \(\;^{12}_6\text{C}\;\), \(\;^{27}_{13}\text{Al}\;\), \(\;^{56}_{26}\text{Fe}\;\), \(\;^{63}_{29}\text{Cu}\;\)

1. (3 pts) Recopier et compléter le tableau :

Atome	Z	A	Protons	Neutrons	Électrons
C	?	?	?	?	?
Al	?	?	?	?	?
Fe	?	?	?	?	?
Cu	?	?	?	?	?

2. (2 pts) Quel atome possède le plus de neutrons ? Le moins de neutrons ?

3. (2 pts) L’atome de fer perd 3 électrons. Écrire l’ion formé avec sa charge. Est-ce un cation ou un anion ?

4. (2 pts) L’atome de chlore (Z=17) gagne 1 électron. Combien d’électrons a l’ion Cl⁻ ? Vérifier la charge.

5. (1 pt) Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?

Atome	Z	A	Protons	Neutrons	Électrons
C	6	12	6	6	6
Al	13	27	13	14	13
Fe	26	56	26	30	26
Cu	29	63	29	34	29

2. Plus de neutrons : Cu (34). Moins : C (6).

3. Fe perd 3 e⁻ → Fe³⁺ (charge = 26 − 23 = +3). C’est un cation.

4. Cl gagne 1 e⁻ → 17 + 1 = 18 électrons. Charge = 17 − 18 = −1. C’est bien Cl⁻.

5. Un atome est neutre car il a autant de protons (+) que d’électrons (−) : les charges se compensent.

Exercice 2 – Molécules et matériaux en atelier 10 points

Un menuisier utilise différents produits et matériaux :

Produit	Formule	Usage
Acétone	C₃H₆O	Solvant dégraissant
Propane	C₃H₈	Chalumeau
Aluminium	Al	Pièces légères
Oxyde de fer	Fe₂O₃	Rouille des outils

1. (2 pts) Pour l’acétone C₃H₆O, indiquer les atomes présents et leur nombre. Combien d’atomes au total ?

2. (2 pts) Classer ces quatre substances en corps purs simples, corps purs composés, ou mélanges.

3. (2 pts) Le propane C₃H₈ et l’acétone C₃H₆O contiennent tous deux 3 atomes de carbone. Ont-ils les mêmes propriétés ? Expliquer.

4. (2 pts) Dans Fe₂O₃, le fer est sous forme d’ion Fe³⁺. Combien d’électrons a perdu chaque atome de fer ? L’oxygène est sous forme O²⁻ : a-t-il perdu ou gagné des électrons ?

5. (2 pts) Expliquer pourquoi on protège les pièces en acier par de la peinture ou de la galvanisation (couche de zinc) pour éviter la rouille.

1. C₃H₆O : 3 C + 6 H + 1 O = 10 atomes.

2. Corps pur simple : Al. Corps purs composés : C₃H₆O, C₃H₈, Fe₂O₃. Aucun mélange dans cette liste.

3. Non. Même nombre de C mais formules différentes → propriétés chimiques différentes. Le propane est un combustible, l’acétone un solvant.

4. Fe³⁺ : perdu 3 e⁻. O²⁻ : gagné 2 e⁻ (anion, charge négative).

5. La peinture ou le zinc forment une barrière physique empêchant le contact entre le fer et l’oxygène/l’eau de l’air, ce qui bloque la réaction d’oxydation.

Exercice 1 – Analyse complète d’atomes et d’ions 10 points

On considère les espèces chimiques suivantes :

\(\;^{56}_{26}\text{Fe}\;\) \(\;^{63}_{29}\text{Cu}\;\) \(\;^{35}_{17}\text{Cl}\;\) \(\;^{23}_{11}\text{Na}\;\) \(\;^{40}_{18}\text{Ar}\;\)

1. (3 pts) Pour chaque atome, calculer le nombre de protons, neutrons et électrons. Présenter les résultats dans un tableau.

2. (2 pts) Le sodium forme l’ion Na⁺ et le chlore forme l’ion Cl⁻. Pour chaque ion, indiquer le nombre d’électrons et vérifier que la charge est cohérente.

3. (2 pts) Cl⁻ a le même nombre d’électrons que l’argon (Z = 18) et Na⁺ a le même nombre d’électrons que le néon (Z = 10). Vérifier ces affirmations.

4. (2 pts) Le sel de table est constitué d’ions Na⁺ et Cl⁻. Expliquer pourquoi le cristal de NaCl est électriquement neutre.

5. (1 pt) L’argon est un gaz noble utilisé en soudage TIG. Expliquer pourquoi il ne forme ni ion ni liaison chimique.

Atome	Z	A	N	e⁻
Fe	26	56	30	26
Cu	29	63	34	29
Cl	17	35	18	17
Na	11	23	12	11
Ar	18	40	22	18

2. Na⁺ : 11 − 1 = 10 e⁻. Charge = 11 − 10 = +1 ✓. Cl⁻ : 17 + 1 = 18 e⁻. Charge = 17 − 18 = −1 ✓.

3. Na⁺ a 10 e⁻... en fait Na⁺ a la configuration du néon (Z=10), pas de l’argon. Cl⁻ a 18 e⁻, identique à l’argon. Ces ions sont stables car leur couche externe est complète (configuration de gaz noble).

4. Dans NaCl : charge Na⁺ = +1 et charge Cl⁻ = −1. Pour un couple Na⁺/Cl⁻, la somme des charges est +1 + (−1) = 0. Le cristal est électriquement neutre.

5. L’argon (Z=18) a sa couche externe saturée : K(2) L(8) M(8). Il n’a pas besoin de gagner ni de perdre des électrons → chimiquement inerte.

Exercice 2 – Problème ouvert : matériaux et corrosion 10 points

Un technicien en menuiserie-agencement constate que certaines pièces métalliques de son atelier s’abîment plus vite que d’autres. Il dispose de pièces en acier (alliage Fe+C), en aluminium (Al) et en laiton (alliage Cu+Zn). Certaines sont à l’intérieur, d’autres sont exposées à l’extérieur.

1. (2 pts) Parmi ces trois matériaux, lesquels sont des corps purs ? Lesquels sont des mélanges (alliages) ? Justifier.

2. (2 pts) L’oxydation du fer produit Fe₂O₃. Montrer que la formule Fe₂O₃ est électriquement neutre sachant que le fer est sous forme Fe³⁺ et l’oxygène sous forme O²⁻.

3. (2 pts) L’aluminium s’oxyde aussi (Al₂O₃ — alumine) mais cette couche d’oxyde est protectrice, contrairement à la rouille du fer. Proposer une hypothèse expliquant pourquoi l’alumine protège l’aluminium tandis que la rouille détruit le fer.

4. (2 pts) Le cuivre du laiton peut former l’ion Cu²⁺ (responsable de la patine verte du cuivre exposé). Calculer le nombre d’électrons de Cu²⁺ sachant que Cu a Z=29. Comparer avec le zinc (Z=30) qui forme Zn²⁺.

5. (2 pts) Le technicien hésite entre protéger ses pièces en acier par galvanisation (couche de zinc) ou par anodisation (couche d’Al₂O₃). Rédiger un avis argumenté (4-5 lignes) en utilisant vos connaissances sur la structure de la matière et la formation des ions.

1. Corps pur : Al (un seul élément). Mélanges : acier (Fe+C) et laiton (Cu+Zn), ce sont des alliages.

2. 2 ions Fe³⁺ → charge totale = 2 × (+3) = +6. 3 ions O²⁻ → charge totale = 3 × (−2) = −6. Somme = +6 + (−6) = 0. La formule est électriquement neutre.

3. L’alumine Al₂O₃ forme une couche compacte, adhérente et imperméable qui empêche l’oxygène d’atteindre l’aluminium en dessous (passivation). La rouille Fe₂O₃ est poreuse et friable, elle se détache et expose sans cesse du fer frais à l’oxydation.

4. Cu²⁺ : 29 − 2 = 27 e⁻. Zn²⁺ : 30 − 2 = 28 e⁻. Tous deux perdent 2 e⁻.

5. Réponse type : Les deux méthodes fonctionnent. La galvanisation (Zn) offre une protection sacrificielle : le zinc s’oxyde avant le fer (Zn → Zn²⁺ + 2e⁻). Même si la couche est rayée, le fer reste protégé. L’anodisation (Al₂O₃) crée une barrière physique très dure et esthétique, mais si elle est endommagée, le fer est exposé. Pour des pièces d’atelier soumises à des chocs, la galvanisation est souvent préférable.