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Chapitre 7 – Exercices par capacités

Structure de la matière : atomes, ions et molécules  |  2nde Bac Pro  |  Physique-Chimie

Capacités et connaissances du programme :

C1 — Décrire la structure d'un atome

Rappel de cours

Un atome est électriquement neutre. Il est constitué de :

  • Un noyau (central, très petit) contenant :
    • Protons (charge +1 chacun), en nombre égal à \(Z\) (numéro atomique).
    • Neutrons (charge nulle), en nombre \(N = A - Z\) où \(A\) est le nombre de masse.
  • Des électrons (charge −1 chacun) en mouvement autour du noyau, répartis sur des couches électroniques. Nombre d'électrons = \(Z\) (neutralité électrique).

La charge totale de l'atome est nulle : \(Z \times (+1) + Z \times (-1) = 0\).

Exercice 1

L'atome de carbone a pour symbole \(^{12}_6\text{C}\).

  1. Quel est son numéro atomique \(Z\) ?
  2. Quel est son nombre de masse \(A\) ?
  3. Combien cet atome contient-il de protons, de neutrons et d'électrons ?

Exercice 2

Un artisan menuisier utilise de la colle à base de résine époxyde contenant du fer. L'atome de fer est noté \(^{56}_{26}\text{Fe}\).

  1. Donner le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de l'atome de fer.
  2. Vérifier la neutralité électrique de cet atome.

Exercice 3

Un technicien chauffagiste travaille avec des tuyaux en cuivre. L'atome de cuivre est noté \(^{63}_{29}\text{Cu}\).

  1. Donner la composition du noyau de cet atome.
  2. Combien d'électrons possède-t-il ?
  3. Calculer la charge totale du noyau.

Exercice 4

Un atome inconnu possède 13 protons, 14 neutrons et 13 électrons.

  1. Quel est son numéro atomique \(Z\) ?
  2. Quel est son nombre de masse \(A\) ?
  3. En consultant le tableau périodique, quel est cet élément ? (Indication : \(Z = 13\) correspond à l'aluminium Al.)
  4. Vérifier la neutralité électrique.

C2 — Distinguer atome, ion, molécule

Rappel de cours
Entité Définition Charge Exemples
Atome Plus petite entité d'un élément chimique Nulle (neutre) Na, Fe, O
Ion positif (cation) Atome ayant perdu un ou plusieurs électrons Positive (+) Na⁺, Ca²⁺, Fe³⁺
Ion négatif (anion) Atome ayant gagné un ou plusieurs électrons Négative (−) Cl⁻, O²⁻
Molécule Association de plusieurs atomes liés entre eux Généralement nulle H₂O, CO₂, CH₄

Exercice 5

Classer les entités chimiques suivantes en indiquant s'il s'agit d'un atome, d'un ion ou d'une molécule :

Ca²⁺   |   H₂O   |   Cl⁻   |   Fe   |   O₂   |   Na⁺

Exercice 6

Un électricien utilise des câbles en cuivre. Dans les solutions de nettoyage des contacts, on trouve des ions Cu²⁺ et des molécules d'eau H₂O.

  1. L'ion Cu²⁺ est-il un atome neutre ou chargé ? Expliquer.
  2. L'ion Cu²⁺ a-t-il perdu ou gagné des électrons par rapport à l'atome de cuivre Cu ?
  3. Combien d'électrons l'atome de cuivre a-t-il perdu pour former Cu²⁺ ?

Exercice 7

Dans une solution de nettoyage de surface métallique utilisée par un mécanicien, on trouve les ions suivants : Fe³⁺, Cl⁻, Na⁺, et des molécules H₂O.

  1. Identifier les cations et les anions parmi les ions.
  2. Calculer le nombre d'électrons de l'ion Fe³⁺ sachant que l'atome de fer possède 26 protons.

Exercice 8

Un artisan menuisier utilise de la laque de protection contenant du dioxyde de soufre SO₂ et des ions sulfate SO₄²⁻. Un autre produit contient du chlore atomique Cl et des ions chlorure Cl⁻.

  1. Distinguer molécule et ion parmi ces entités.
  2. L'ion Cl⁻ a-t-il gagné ou perdu des électrons par rapport à l'atome Cl ?
  3. Quelle différence existe-t-il entre SO₂ (molécule) et SO₄²⁻ (ion) ?

C3 — Lire et interpréter la notation symbolique d'un élément

Rappel de cours

La notation complète d'un nucléide est :

\[{}^A_Z\text{X}^{n\pm}\]

  • \(\text{X}\) : symbole chimique de l'élément.
  • \(Z\) : numéro atomique = nombre de protons (bas, à gauche).
  • \(A\) : nombre de masse = protons + neutrons (haut, à gauche).
  • \(n\pm\) : charge de l'entité (si ion). Si absent : atome neutre.

Nombre de neutrons : \(N = A - Z\). Nombre d'électrons : \(Z - n\) (si cation) ou \(Z + n\) (si anion).

Exercice 9

Interpréter la notation \(^{23}_{11}\text{Na}\) :

  1. Quel est le symbole de cet élément ? Son nom ?
  2. Donner les valeurs de \(Z\) et \(A\).
  3. Calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons.

Exercice 10

Le silicium est un élément présent dans les joints de vitrerie utilisés par un menuisier. Sa notation est \(^{28}_{14}\text{Si}\).

  1. Quel est le nombre de protons du silicium ?
  2. Quel est son nombre de neutrons ?
  3. Un atome de silicium-29 (même élément, mais \(A = 29\)) possède-t-il le même nombre de protons ? Pourquoi l'appelle-t-on un isotope ?

Exercice 11

Compléter le tableau suivant :

NotationZAProtonsNeutronsÉlectrons
\(^{16}_{8}\text{O}\)……………
\(^{40}_{20}\text{Ca}\)……………
\(^{35}_{17}\text{Cl}\)……………

Exercice 12

Un alliage utilisé en fabrication de meubles contient de l'aluminium \(^{27}_{13}\text{Al}\) et du magnésium \(^{24}_{12}\text{Mg}\).

  1. Écrire la composition complète de l'atome d'aluminium (protons, neutrons, électrons).
  2. Écrire la composition complète de l'atome de magnésium.
  3. Ces deux éléments ont-ils le même nombre de neutrons ?

C4 — Équilibrer une équation de formation d'ions simples

Rappel de cours

Un ion se forme quand un atome perd ou gagne des électrons. On écrit une équation de formation ionique qui doit être équilibrée en charges :

  • Formation d'un cation (perte d'électrons) : \(\text{X} \rightarrow \text{X}^{n+} + n\,e^-\)
  • Formation d'un anion (gain d'électrons) : \(\text{X} + n\,e^- \rightarrow \text{X}^{n-}\)

Vérification : la somme des charges à gauche = somme des charges à droite.

Exercice 13

L'atome de sodium Na (\(Z = 11\)) perd 1 électron pour former un ion sodium.

  1. Écrire l'équation de formation de l'ion sodium.
  2. Quelle est la charge de l'ion formé ?
  3. Vérifier l'équilibre des charges.

Exercice 14

Le chlore Cl (\(Z = 17\)) gagne 1 électron pour former un ion chlorure.

  1. Écrire l'équation de formation de l'ion chlorure.
  2. Quelle est la charge de l'ion formé ?
  3. Vérifier l'équilibre des charges.

Exercice 15

Le magnésium Mg perd 2 électrons pour former un ion magnésium. Le calcium Ca perd aussi 2 électrons.

  1. Écrire l'équation de formation de l'ion magnésium Mg²⁺.
  2. Écrire l'équation de formation de l'ion calcium Ca²⁺.
  3. Vérifier l'équilibre des charges pour Mg²⁺.

Exercice 16

L'oxygène O gagne 2 électrons pour former l'ion oxyde. L'aluminium Al perd 3 électrons pour former l'ion aluminium.

  1. Écrire l'équation de formation de l'ion oxyde O²⁻.
  2. Écrire l'équation de formation de l'ion aluminium Al³⁺.
  3. Pour chaque équation, vérifier l'équilibre des charges.

C5 — Classer des éléments dans le tableau périodique

Rappel de cours

Le tableau périodique de Mendeleïev classe les éléments par ordre croissant de numéro atomique \(Z\). Il est organisé en :

  • Périodes (lignes horizontales) : numérotées de 1 à 7. Un élément est dans la période \(n\) si ses électrons occupent jusqu'à la couche \(n\).
  • Groupes (colonnes verticales) : numérotés de 1 à 18. Les éléments d'un même groupe ont des propriétés chimiques voisines.

Répartition des électrons sur les couches : couche K (max 2 électrons), couche L (max 8), couche M (max 8 pour les 18 premiers éléments).

La période = le numéro de la dernière couche occupée. Le groupe (pour les éléments des blocs s et p) correspond souvent au nombre d'électrons de valence.

Exercice 17

L'hydrogène H (\(Z = 1\)) possède 1 électron. Le lithium Li (\(Z = 3\)) possède 3 électrons.

  1. Donner la répartition électronique de H et de Li sur les couches K et L.
  2. Dans quelle période se trouve chacun de ces éléments ?

Exercice 18

Donner la répartition électronique sur les couches K, L, M pour les éléments suivants et préciser leur période :

  • Oxygène O (\(Z = 8\))
  • Sodium Na (\(Z = 11\))
  • Chlore Cl (\(Z = 17\))

Exercice 19

Les éléments suivants sont des matériaux courants utilisés en atelier : aluminium Al (\(Z = 13\)), silicium Si (\(Z = 14\)), phosphore P (\(Z = 15\)).

  1. Donner la répartition électronique sur les couches K, L, M pour chacun.
  2. Ces trois éléments sont-ils dans la même période ? Justifier.
  3. Quel est le nombre d'électrons de valence (couche M) pour chacun ?

Exercice 20

Les gaz nobles (ou gaz rares) sont les éléments du groupe 18. L'hélium He (\(Z = 2\)) et le néon Ne (\(Z = 10\)) en font partie. Ces gaz sont utilisés dans les tubes lumineux (néon) et pour la soudure à l'arc (protection par hélium ou argon).

  1. Donner la répartition électronique de He et Ne.
  2. Quelle particularité ont leurs couches externes ?
  3. Quelle est la période de chacun ?
  4. Pourquoi dit-on que les gaz nobles sont chimiquement peu réactifs ?