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Devoir Surveillé – Chapitre 7

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

Dernière mise à jour : 1 août 2026, 10:40

Nom : Prénom : Classe : Date : Note : / 20
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🕑 Durée : 1 heure
🧮 Calculatrice : autorisée
✍ Barème : 20 points
📄 Documents : non autorisés
APP – S'Approprier ANA – Analyser REA – Réaliser VAL – Valider COM – Communiquer
Rappel fourni — notation symbolique d'un atome
Dans l'écriture \(^A_Z X\) :
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) APP En utilisant le rappel fourni en tête de sujet, recopier ce que représentent Z et A.

Z = ………………………………
A = ………………………………

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

Z = ……  |  A = ……

3. (2 pts) APP 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) REA Calculer le nombre de neutrons, en appliquant la relation \(N = A - Z\) donnée en tête de sujet.

N = …… − …… = …… neutrons

5. (2 pts) REA Compléter le même travail pour l’atome de fer \(\;^{56}_{26}\text{Fe}\;\) :
AtomeZ (protons)A (masse)N (neutrons)Électrons
Al1327??
Fe????
Modèle de l’atome avec couches électroniques K, L, M Couche M Couche L Couche K Z p⁺ N n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Légende Noyau (p⁺ + n⁰) e⁻ couche K (max 2) e⁻ couche L (max 8) e⁻ couche M (max 18) Couches électroniques : règle de remplissage K(2) → L(8) → M(18)
Structure d'un atome : un noyau (Z protons + N neutrons) entouré de Z électrons répartis sur les couches K, L, M. Le numéro atomique Z fixe le nombre de protons ET d'électrons ; le nombre de masse A = Z + N.

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) ANA 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) VAL L’ion Fe²⁺ est-il un cation ou un anion ? Justifier.
3. (2 pts) REA 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) ANA COM L’acier est un alliage de fer et de carbone. Est-ce un corps pur ou un mélange ? Justifier.
5. (2 pts) APP 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) REA Recopier et compléter le tableau :
AtomeZAProtonsNeutronsÉlectrons
C?????
Al?????
Fe?????
Cu?????
2. (2 pts) ANA Quel atome possède le plus de neutrons ? Le moins de neutrons ?
3. (2 pts) REA L’atome de fer perd 3 électrons. Écrire l’ion formé avec sa charge. Est-ce un cation ou un anion ?
4. (2 pts) VAL L’atome de chlore (Z=17) gagne 1 électron. Combien d’électrons a l’ion Cl⁻ ? Vérifier la charge.
5. (1 pt) COM Pourquoi un atome est-il électriquement neutre ?
Modèle de l’atome avec couches électroniques K, L, M Couche M Couche L Couche K Z p⁺ N n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Légende Noyau (p⁺ + n⁰) e⁻ couche K (max 2) e⁻ couche L (max 8) e⁻ couche M (max 18) Couches électroniques : règle de remplissage K(2) → L(8) → M(18)
Structure d'un atome : un noyau (Z protons + N neutrons) entouré de Z électrons répartis sur les couches K, L, M. Le numéro atomique Z fixe le nombre de protons ET d'électrons ; le nombre de masse A = Z + N.

1.

AtomeZAProtonsNeutronsÉlectrons
C612666
Al1327131413
Fe2656263026
Cu2963293429

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 :

ProduitFormuleUsage
AcétoneC₃H₆OSolvant dégraissant
PropaneC₃H₈Chalumeau
AluminiumAlPièces légères
Oxyde de ferFe₂O₃Rouille des outils
1. (2 pts) APP Pour l’acétone C₃H₆O, indiquer les atomes présents et leur nombre. Combien d’atomes au total ?
2. (2 pts) ANA Classer ces quatre substances en corps purs simples, corps purs composés, ou mélanges.
3. (2 pts) ANA COM Le propane C₃H₈ et l’acétone C₃H₆O contiennent tous deux 3 atomes de carbone. Ont-ils les mêmes propriétés ? Expliquer.
4. (2 pts) REA 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) COM 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) APP REA Pour chaque atome, calculer le nombre de protons, neutrons et électrons. Présenter les résultats dans un tableau.
2. (2 pts) VAL 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) VAL 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) COM Le sel de table est constitué d’ions Na⁺ et Cl⁻. Expliquer pourquoi le cristal de NaCl est électriquement neutre.
5. (1 pt) COM L’argon est un gaz noble utilisé en soudage TIG. Expliquer pourquoi il ne forme ni ion ni liaison chimique.
Modèle de l’atome avec couches électroniques K, L, M Couche M Couche L Couche K Z p⁺ N n⁰ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Légende Noyau (p⁺ + n⁰) e⁻ couche K (max 2) e⁻ couche L (max 8) e⁻ couche M (max 18) Couches électroniques : règle de remplissage K(2) → L(8) → M(18)
Structure d'un atome : un noyau (Z protons + N neutrons) entouré de Z électrons répartis sur les couches K, L, M. Le numéro atomique Z fixe le nombre de protons ET d'électrons ; le nombre de masse A = Z + N.

1. Nombre de protons (Z), de neutrons (N = A − Z) et d'électrons de chaque atome :

AtomeZANe⁻
Fe26563026
Cu29633429
Cl17351817
Na11231211
Ar18402218

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

3. Les deux affirmations sont exactes. Na⁺ possède \(11 - 1 = 10\) électrons, soit autant que le néon (Z = 10). Cl⁻ possède \(17 + 1 = 18\) électrons, soit autant que l'argon (Z = 18). Ces deux ions sont stables parce que leur couche externe est complète : ils ont pris la configuration électronique d'un 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) ANA Parmi ces trois matériaux, lesquels sont des corps purs ? Lesquels sont des mélanges (alliages) ? Justifier.
2. (2 pts) VAL 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) ANA 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) REA 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) COM 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.