Chapitre 7 – Exercices par capacités

• Ca²⁺ : ion (cation, charge +2) — ion calcium.
• H₂O : molécule (eau, formée de 2 atomes H et 1 atome O).
• Cl⁻ : ion (anion, charge −1) — ion chlorure.
• Fe : atome (fer, neutre).
• O₂ : molécule (dioxygène, 2 atomes d'oxygène liés).
• Na⁺ : ion (cation, charge +1) — ion sodium.

1. A : 11 protons et 11 électrons → autant de charges + que de charges −.
   B : 11 protons et 10 électrons → un électron de moins que de protons.
   C : 8 protons et 10 électrons → deux électrons de plus que de protons.
2. A : charge totale \(11 \times (+1) + 11 \times (-1) = 0\) → atome neutre.
   B : charge totale \(11 \times (+1) + 10 \times (-1) = +1\) → ion positif (cation).
   C : charge totale \(8 \times (+1) + 10 \times (-1) = -2\) → ion négatif (anion).
3. A : atome de sodium Na. B : ion sodium Na⁺. C : ion oxyde O²⁻.

Remarque : A et B ont le même noyau (11 p⁺, 12 n⁰). C'est donc le même élément chimique ; seul le nombre d'électrons change.

1. L'ion Cu²⁺ est chargé positivement (charge +2) : ce n'est plus un atome neutre.
2. L'ion Cu²⁺ a perdu des électrons par rapport à l'atome Cu (charge négative → charge positive).
3. Cu²⁺ possède une charge +2 : l'atome de cuivre a perdu 2 électrons.

1. Cations (charge +) : Fe³⁺, Na⁺. Anions (charge −) : Cl⁻.
2. L'atome Fe a 26 électrons. Fe³⁺ a perdu 3 électrons : \(26 - 3 = \mathbf{23\ \text{électrons}}\).

1. Molécules : SO₂ (neutre, association de S et O). Ions : SO₄²⁻ (charge −2), Cl⁻ (charge −1). L'atome Cl est neutre.
2. L'ion Cl⁻ a gagné 1 électron (charge négative → plus d'électrons que de protons).
3. SO₂ est une molécule neutre (2 atomes O + 1 atome S, liés, sans charge globale). SO₄²⁻ est un ion polyatomique de charge −2 (4 atomes O + 1 atome S, avec 2 électrons supplémentaires).

1. Solution 1 : précipité rouille → ion fer(III), formule Fe³⁺.
   Solution 2 : précipité bleu → ion cuivre(II), formule Cu²⁺.
   Solution 3 : précipité vert → ion fer(II), formule Fe²⁺.
2. C'est la couleur du précipité qui les distingue. La soude fait précipiter ces trois ions, mais chacun donne un solide d'une couleur qui lui est propre.

1. Tube A : précipité bleu avec la soude → ion cuivre(II) Cu²⁺.
   Tube B : précipité rouille avec la soude → ion fer(III) Fe³⁺.
   Tube C : précipité vert avec la soude → ion fer(II) Fe²⁺.
   Tube D : précipité blanc avec le nitrate d'argent → ion chlorure Cl⁻.
2. Les tubes A, B et C ont reçu de la soude, qui fait précipiter les ions métalliques (cuivre et fer). L'ion chlorure ne réagit pas avec la soude : il faut le nitrate d'argent, qui est le réactif des ions chlorure.
3. Le précipité blanc de chlorure d'argent noircit à la lumière. C'est d'ailleurs cette propriété qui était utilisée en photographie argentique.

1. Le réactif des ions chlorure est le nitrate d'argent.
2. Si l'eau contient des ions chlorure, il se forme un précipité blanc, qui noircit ensuite à la lumière.
3. Rien n'apparaît : le test est négatif. L'eau ne contient pas d'ions chlorure, ou en contient trop peu pour que le test les détecte.
4. Non. Ce test ne renseigne que sur les ions chlorure. L'eau peut très bien contenir d'autres ions — cuivre, fer, sulfate, calcium… — que le nitrate d'argent ne révèle pas. Pour les chercher, il faudrait réaliser d'autres tests avec d'autres réactifs.

1. Ordre correct : ② → ⑤ → ④ → ① → ③. On se protège, on prélève, on ajoute le réactif, on observe, puis on élimine les déchets.
2. La soude est corrosive : une projection dans l'œil ou sur la peau provoque une brûlure grave. La protection se met avant toute manipulation, pas au moment où l'on ouvre le flacon.
3. Un précipité bleu avec la soude révèle l'ion cuivre(II) Cu²⁺.
4. Non. Le test est positif : l'eau de rinçage contient encore des ions cuivre(II). Elle doit être versée dans le bidon de déchets chimiques, confié à un collecteur agréé — jamais à l'évier ni au réseau d'eaux pluviales.

1. Soude → précipité rouille : ion fer(III) Fe³⁺.
   Nitrate d'argent → précipité blanc : ion chlorure Cl⁻.
2. Non, le circuit n'est pas étanche. Le fer est au degré (III) : il a donc rencontré du dioxygène. Si le circuit était resté fermé, le test à la soude aurait donné un précipité vert (fer(II)). Il faut chercher l'entrée d'air du côté des purgeurs, des joints, ou d'appoints d'eau trop fréquents.
3. Le second test révèle des ions chlorure. Or les chlorures accélèrent la corrosion des canalisations : combinés à l'entrée d'air déjà mise en évidence, ils annoncent une dégradation rapide du circuit.
4. Le test indique quel ion est présent, pas depuis quand. Un précipité rouille dit seulement que le fer est au degré (III) aujourd'hui ; la corrosion peut dater de plusieurs années. Un test d'identification ne donne aucune information sur la date ni sur la quantité.

1. A : tube à essai — B : bécher (graduations indicatives, bec verseur) — C : erlenmeyer (col étroit, base large) — D : éprouvette graduée (haute, étroite, sur un pied) — E : pipette jaugée (renflement central) — F : fiole jaugée (long col, corps bombé).
2. Ce sont la pipette jaugée (E) et la fiole jaugée (F). Le trait de jauge indique le niveau exact à atteindre : c'est lui qui garantit la précision du volume.
3. Le tube à essai (A) : un test se réalise sur quelques millilitres, et aucune précision de volume n'est nécessaire.

1 → c  |  2 → e  |  3 → a  |  4 → b  |  5 → d

• Entonnoir : on le pose sur le col d'un récipient pour y verser un liquide ou une poudre sans en répandre à côté.
• Pissette : flacon souple rempli d'eau distillée, pour rincer la verrerie.
• Agitateur en verre : baguette que l'on tourne dans le bécher pour accélérer la dissolution.
• Spatule et verre de montre : la spatule prélève la poudre, le verre de montre la reçoit sur le plateau de la balance.
• Balance de précision : elle affiche la masse au centigramme (0,01 g).

1. On lit toujours au bas du ménisque, c'est-à-dire au point le plus bas de la courbe, au centre de l'éprouvette.
2. La position ② : l'œil doit être à hauteur du niveau à lire, la visée bien horizontale.
3. Le bas du ménisque se trouve deux petites graduations au-dessus du trait 45 mL. Chaque petite graduation vaut 1 mL, donc le volume est de 47 mL.
4. Avec l'œil au-dessus (①) ou en dessous (③), la visée est oblique. La graduation qui semble coïncider avec la surface n'est alors pas celle du niveau réel : on lit une autre graduation que la bonne. C'est l'erreur de parallaxe. Elle se corrige simplement en descendant ou en montant jusqu'à avoir les yeux au niveau du liquide.

1. Pipette jaugée de 20 mL. Le volume doit être exact : seule la verrerie jaugée le garantit. Une pipette jaugée délivre un volume unique, celui qui est marqué dessus.
2. Bécher et agitateur en verre. Le bécher est large, il se remue facilement ; l'agitateur accélère la dissolution. Aucune précision de volume n'étant demandée, la verrerie jaugée serait inutile — et le col étroit d'une fiole rendrait l'agitation malcommode.
3. Éprouvette graduée. Sa précision est moyenne, ce qui suffit ici, et elle se lit bien plus correctement qu'un bécher.

Réponse à l'élève : le bécher sert à contenir, pas à mesurer. Ses graduations ne sont qu'indicatives : le verre est large, donc quelques millimètres de hauteur représentent déjà plusieurs millilitres. Il convient pour le cas b, il dépanne à peine pour le cas c, et il est à exclure pour le cas a.

1. Étape 1 — le bécher sert à contenir, pas à mesurer : ses graduations sont indicatives, le volume obtenu n'est pas exactement 10 mL.
   Étape 2 — la lecture se fait l'œil à hauteur du niveau, pas en visant de bas en haut : c'est une erreur de parallaxe garantie.
   Étape 3 — transvaser sans entonnoir fait perdre une partie de la solution : le volume prélevé n'est plus celui que l'on croit.
   Étape 4 — l'éprouvette est haute et instable, et on n'agite jamais en bouchant avec la main : risque de projection et de contact avec le produit.
2. Étape 1 → pipette jaugée de 10 mL.
   Étape 2 → poser le récipient sur la paillasse et se mettre à hauteur du trait, lecture au bas du ménisque.
   Étape 3 → utiliser un entonnoir ; rincer ensuite à la pissette pour ne rien perdre.
   Étape 4 → agiter dans un erlenmeyer, dont le col étroit limite les projections, et jamais avec la main sur l'ouverture.
3. Protocole correct :
   1. Mettre gants et lunettes.
   2. Prélever 10 mL à la pipette jaugée, œil à hauteur du trait de jauge.
   3. Verser dans un erlenmeyer à l'aide d'un entonnoir.
   4. Agiter l'erlenmeyer par un mouvement circulaire, sans le boucher avec la main.

1. \(\text{Na} \rightarrow \text{Na}^+ + e^-\)
2. L'ion sodium a la charge +1 (noté Na⁺).
3. Gauche : charge 0. Droite : \(+1 + (-1) = 0\). ✓ L'équation est équilibrée.

1. \(\text{Cl} + e^- \rightarrow \text{Cl}^-\)
2. L'ion chlorure a la charge −1 (noté Cl⁻).
3. Gauche : \(0 + (-1) = -1\). Droite : \(-1\). ✓ L'équation est équilibrée.

1. \(\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2\,e^-\)
2. \(\text{Ca} \rightarrow \text{Ca}^{2+} + 2\,e^-\)
3. Gauche : 0. Droite : \(+2 + 2 \times (-1) = +2 - 2 = 0\). ✓

1. \(\text{O} + 2\,e^- \rightarrow \text{O}^{2-}\)
2. \(\text{Al} \rightarrow \text{Al}^{3+} + 3\,e^-\)
3. O²⁻ : gauche \(0 + 2 \times (-1) = -2\) ; droite \(-2\). ✓
   Al³⁺ : gauche \(0\) ; droite \(+3 + 3 \times (-1) = 0\). ✓

1. Élève 1 : gauche \(0\) ; droite \(+1 + 2 \times (-1) = -1\). Les charges ne sont pas égales.
   Élève 2 : gauche \(0 + 2 \times (-1) = -2\) ; droite \(+2\). Les charges ne sont pas égales.
   Élève 3 : gauche \(0\) ; droite \(-2 + 2 \times (-1) = -4\). Les charges ne sont pas égales.
   Élève 4 : gauche \(0\) ; droite \(+3 + 3 \times (-1) = 0\). Les charges sont égales.
2. Seule l'équation de l'élève 4 est correcte.
3. Élève 1 — l'ion Na⁺ a la charge +1, il ne manque qu'un seul électron : \(\text{Na} \rightarrow \text{Na}^{+} + e^-\)
   Élève 2 — Mg²⁺ est un cation : l'atome perd les électrons, ils passent donc à droite : \(\text{Mg} \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2\,e^-\)
   Élève 3 — O²⁻ est un anion : l'atome gagne les électrons, ils passent donc à gauche : \(\text{O} + 2\,e^- \rightarrow \text{O}^{2-}\)

À retenir : les électrons se placent du côté opposé à l'ion quand c'est un cation (charge +), et du même côté que l'atome quand c'est un anion (charge −). Le nombre d'électrons échangés est toujours égal au nombre de charges de l'ion.

1. Le noyau contient 8 protons (points rouges) et 8 neutrons (points gris).
2. Couche K : 2 électrons. Couche L : 6 électrons. Total : \(2 + 6 = \mathbf{8}\) électrons.
3. \(Z\) = nombre de protons = \(\mathbf{8}\).
   \(A\) = protons + neutrons = \(8 + 8 = \mathbf{16}\).
4. Charge totale : \(8 \times (+1) + 8 \times (-1) = 8 - 8 = 0\). L'atome est bien neutre : il y a autant d'électrons que de protons.
5. \(Z = 8\) : c'est l'oxygène, noté \(^{16}_{8}\text{O}\). Sa répartition électronique est K(2) L(6).

1. \(Z = \mathbf{6}\) (numéro atomique = nombre de protons).
2. \(A = \mathbf{12}\) (nombre de masse = protons + neutrons).
3. Protons : 6 ; Neutrons : \(N = A - Z = 12 - 6 = 6\) ; Électrons : 6 (atome neutre).

1. Protons : 26 ; Neutrons : \(56 - 26 = 30\) ; Électrons : 26.
2. Charge totale : \(26 \times (+1) + 26 \times (-1) = 26 - 26 = 0\). L'atome est bien neutre.

1. Noyau : 29 protons et \(63 - 29 = 34\) neutrons.
2. 29 électrons (autant que de protons, car l'atome est neutre).
3. Charge du noyau : \(29 \times (+1) = +29\) (en unités de charge élémentaire).

1. \(Z = 13\) (nombre de protons).
2. \(A = Z + N = 13 + 14 = \mathbf{27}\)
3. C'est l'aluminium, noté \(^{27}_{13}\text{Al}\). Très utilisé en menuiserie (profilés aluminium).
4. Charge : \(13 \times (+1) + 13 \times (-1) = 0\). Atome bien neutre ✓.

1. Symbole : Na (sodium).
2. \(Z = 11\) ; \(A = 23\).
3. Protons : 11 ; Neutrons : \(23 - 11 = 12\) ; Électrons : 11.

1. Al : protons = 13 ; neutrons = \(27 - 13 = 14\) ; électrons = 13.
2. Mg : protons = 12 ; neutrons = \(24 - 12 = 12\) ; électrons = 12.
3. Non : Al possède 14 neutrons et Mg en possède 12. Ils ont des nombres de neutrons différents.

1. Protons : \(Z = \mathbf{14}\).
2. Neutrons : \(28 - 14 = \mathbf{14}\).
3. Oui : Si-29 a également 14 protons (même \(Z\)), mais 15 neutrons (\(29 - 14 = 15\)). Ce sont des isotopes car ils ont le même numéro atomique \(Z\) (même élément chimique) mais des nombres de masse \(A\) différents.

1. \(^{27}_{13}\text{Al}^{3+}\) : \(Z = 13\), \(A = 27\), neutrons \(N = 27 - 13 = \mathbf{14}\).
   \(^{32}_{16}\text{S}^{2-}\) : \(Z = 16\), \(A = 32\), neutrons \(N = 32 - 16 = \mathbf{16}\).
2. Al³⁺ : charge positive → c'est un cation, l'atome a perdu 3 électrons.
   S²⁻ : charge négative → c'est un anion, l'atome a gagné 2 électrons.
3. Al³⁺ : \(13 - 3 = \mathbf{10}\) électrons.
   S²⁻ : \(16 + 2 = \mathbf{18}\) électrons.
4. Al³⁺ : \(13 \times (+1) + 10 \times (-1) = 13 - 10 = +3\). ✓ conforme à la notation.
   S²⁻ : \(16 \times (+1) + 18 \times (-1) = 16 - 18 = -2\). ✓ conforme à la notation.

Attention à l'erreur classique : la charge ne change jamais \(Z\) ni \(A\). Le noyau n'est pas modifié : seul le nombre d'électrons varie.

1. H : couche K = 1 électron. Li : couche K = 2 électrons, couche L = 1 électron.
2. H : période 1 (1 seule couche occupée). Li : période 2 (la couche L est partiellement remplie).

• O : K = 2, L = 6 → période 2.
• Na : K = 2, L = 8, M = 1 → période 3.
• Cl : K = 2, L = 8, M = 7 → période 3.

1. Al (Z=13) : K=2, L=8, M=3. Si (Z=14) : K=2, L=8, M=4. P (Z=15) : K=2, L=8, M=5.
2. Oui : tous les trois ont leur couche externe en M → ils sont dans la période 3.
3. Al : 3 électrons de valence. Si : 4. P : 5.
4. Ces trois éléments sont dans les groupes 13 à 18 : le numéro du groupe vaut le nombre d'électrons de valence augmenté de 10.
   Al → groupe 13 ; Si → groupe 14 ; P → groupe 15.

1. Mg (Z=12) : K=2, L=8, M=2.
   Al (Z=13) : K=2, L=8, M=3.
   S (Z=16) : K=2, L=8, M=6.
   Cl (Z=17) : K=2, L=8, M=7.
2. Couche externe (couche M) : Mg → 2 électrons ; Al → 3 ; S → 6 ; Cl → 7.
3. Mg : 2 électrons de valence → groupe 2 (règle des groupes 1 et 2).
   Al : 3 électrons de valence → groupe \(3 + 10 = \mathbf{13}\).
   S : 6 électrons de valence → groupe \(6 + 10 = \mathbf{16}\).
   Cl : 7 électrons de valence → groupe \(7 + 10 = \mathbf{17}\).
4. De gauche à droite dans la période 3 : Na (11) | Mg (12) | Al (13) | Si (14) | P (15) | S (16) | Cl (17) | Ar (18).
5. À chaque case vers la droite, le numéro atomique \(Z\) augmente de 1 : l'atome gagne un proton, donc aussi un électron sur sa couche externe. C'est exactement la logique de classement de Mendeleïev.

1. He : K = 2. Ne : K = 2, L = 8.
2. Leurs couches externes sont entièrement remplies (K saturée à 2 pour He, L saturée à 8 pour Ne).
3. He : période 1. Ne : période 2.
4. Leur couche externe est saturée (configuration stable). Ils n'ont pas tendance à gagner ni à perdre des électrons → ils ne forment pas facilement de liaisons chimiques et sont donc très peu réactifs.