Chapitre 7 – Exercices

1. Oui, même Z = 6, donc même nombre de protons (6). Ce sont tous des atomes de carbone (même élément chimique).

2. C-12 : N = 12 − 6 = 6. C-13 : N = 13 − 6 = 7. C-14 : N = 14 − 6 = 8.
C’est le nombre de neutrons qui varie.

3. Des isotopes sont des atomes d’un même élément chimique (même Z) qui diffèrent par leur nombre de neutrons (A différent).

4. Le C-14 se désintègre à vitesse constante (demi-vie d’environ 5 730 ans). Les organismes vivants incorporent du C-14 de l’atmosphère. À leur mort, le C-14 n’est plus renouvelé et diminue. En mesurant la quantité restante, on estime l’âge de l’objet.

5. U-238 : N = 238 − 92 = 146 neutrons. U-235 : N = 235 − 92 = 143 neutrons. L’U-238 a 3 neutrons de plus ; il est plus stable (non fissile), d’où son usage comme blindage.

1. Na : K(2) L(8) M(1) | Cl : K(2) L(8) M(7) | Ar : K(2) L(8) M(8)

2. Les gaz nobles ont leur couche externe complète (saturée). Ils sont déjà stables chimiquement et n’ont pas besoin de gagner ou perdre des électrons.

3. En perdant 1 e⁻, Na⁺ a la configuration K(2) L(8), identique au néon (gaz noble). La couche externe est complète → l’ion est stable.

4. Le chlore gagne 1 e⁻ → Cl⁻ a la configuration K(2) L(8) M(8), identique à l’argon. Il forme un anion Cl⁻.

5. Na⁺ (charge +) et Cl⁻ (charge −) s’attirent par interaction électrostatique (forces de Coulomb). Cette attraction forme la liaison ionique du cristal de sel NaCl.

1. Al₂O₃ : 2 Al + 3 O = 5 atomes. C’est un corps pur composé (deux éléments différents : Al et O).

2. Ar : N = 40 − 18 = 22 neutrons. L’argon est un gaz noble (couche externe saturée K(2) L(8) M(8)), chimiquement inerte. Il protège le bain de fusion sans réagir avec le métal.

3. Cu²⁺ : électrons = 29 − 2 = 27 électrons. Le cuivre a perdu 2 électrons.

4. SO₄²⁻ est un anion (charge négative). Le sulfate de cuivre est neutre car la charge totale positive (+2 du Cu²⁺) compense exactement la charge négative (−2 du SO₄²⁻).

5. Dans l’aluminium métallique, les atomes sont liés par une liaison métallique (nuage d’électrons délocalisés) qui permet le glissement des couches → matériau malléable. Dans Al₂O₃, les ions Al³⁺ et O²⁻ sont liés par des liaisons ioniques très fortes et directionnelles dans un réseau cristallin rigide → matériau très dur et cassant.

1. Na⁺ (+1) + Cl⁻ (−1) = 0. La formule NaCl est bien électriquement neutre.

2. Ca²⁺ a une charge +2. Il faut 2 ions Cl⁻ (2 × (−1) = −2) pour compenser. Formule : CaCl₂.

3. Al³⁺ = +3, O²⁻ = −2. Il faut trouver le plus petit commun multiple de 3 et 2 = 6. Donc 2 × Al³⁺ (+6) + 3 × O²⁻ (−6) = 0. Formule : Al₂O₃.

4. Fe²⁺ (+2) + SO₄²⁻ (−2) = 0 → FeSO₄ est neutre. Le sulfate de fer est un produit chimique contenant des ions métalliques irritants pour la peau. Le port de gants est obligatoire pour éviter les brûlures chimiques et les irritations.

1. Éléments : carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O). Un motif contient 6 C, 10 H et 5 O.

2. Total = 6 + 10 + 5 = 21 atomes par motif.

3. L’air est composé d’environ 78 % de diazote N₂ et 21 % de dioxygène O₂ (+ 1 % de gaz rares).

4. Carbone (Z=6) : K(2) L(4). Il a 4 électrons sur sa couche externe (couche L).

5. Le bois traité contient des ions Cu²⁺ (cuivre) fixés dans les fibres. Lors de la combustion, ces ions sont libérés sous forme de fumées toxiques contenant des composés du cuivre. Inhaler ces fumées est dangereux pour la santé (irritation des voies respiratoires, risque d’intoxication). Les cendres contiennent également des ions métalliques polluants. Le bois traité doit être éliminé en déchèterie spécialisée, jamais brûlé.

1. La solution contient deux espèces chimiques différentes (NaOH et H₂O) → c’est bien un mélange (solution aqueuse).

2. Na neutre (Z=11) : 11 électrons. Na⁺ a perdu 1 e⁻ → 10 électrons.

3. Na⁺ (+1) + OH⁻ (−1) = 0. Le composé NaOH est bien électriquement neutre.

4. Les atomes neutres apportent 9 e⁻. L’ion OH⁻ a une charge −1, donc il a 10 électrons (9 + 1). Il a gagné 1 électron.

5. NaOH dissous dans l’eau libère des ions Na⁺ et OH⁻. Les ions hydroxyde OH⁻ sont très réactifs : ils attaquent les molécules organiques de la peau (graisses, protéines) en rompant les liaisons chimiques. C’est ce qui provoque les brûlures chimiques. Le port de gants résistants aux bases et de lunettes de protection est obligatoire pour éviter tout contact avec la peau et les yeux.

1. Fe : \(N = 56 - 26 = \mathbf{30}\). Al : \(N = 27 - 13 = \mathbf{14}\). Cu : \(N = 64 - 29 = \mathbf{35}\). Zn : \(N = 65 - 30 = \mathbf{35}\).

2. L’acier (Fe + C) et le laiton (Cu + Zn) sont des mélanges (alliages) car ils contiennent plusieurs éléments chimiques mélangés à l’échelle atomique.

3. Fe neutre : Z = 26 donc 26 e⁻. Fe³⁺ a une charge +3, il a perdu 3 électrons → il possède \(26 - 3 = \mathbf{23}\) électrons.

4. Al₂O₃ : 2 atomes d’aluminium + 3 atomes d’oxygène = 5 atomes au total. Éléments : aluminium (Al) et oxygène (O).

5. L’acier rouille en présence d’humidité (formation d’ions Fe³⁺), ce qui le dégrade. L’aluminium, lui, forme une couche d’oxyde Al₂O₃ qui est imperméable et protectrice : elle empêche la corrosion de progresser. Pour les menuiseries extérieures, exposées à la pluie et à l’humidité, l’aluminium est donc plus durable et ne nécessite pas de traitement anticorrosion, contrairement à l’acier.

1. Carbone \(^{12}_{6}\text{C}\) : 6 protons, \(N = 12 - 6 = \mathbf{6}\) neutrons, 6 électrons.
Oxygène \(^{16}_{8}\text{O}\) : 8 protons, \(N = 16 - 8 = \mathbf{8}\) neutrons, 8 électrons.

2. CO₂ contient 1 + 2 = 3 atomes au total. Elle est constituée de 2 éléments différents : carbone (C) et oxygène (O).

3. À l’état gazeux, les molécules de CO₂ sont très éloignées les unes des autres, se déplacent à grande vitesse dans toutes les directions et occupent tout le volume disponible.

4. Non, la molécule CO₂ n’est pas modifiée. Lors d’un changement d’état, seule l’organisation des molécules change (elles se rapprochent et s’ordonnent), mais leur composition chimique reste identique.

5. Pendant sa croissance, l’arbre absorbe du CO₂ de l’atmosphère par la photosynthèse et stocke le carbone dans le bois. Lorsque ce bois est brûlé (ou se décompose), il restitue la même quantité de CO₂. Sur l’ensemble du cycle (croissance + fin de vie), le bilan carbone est nul : le CO₂ libéré égale le CO₂ absorbé. C’est pourquoi le bois est considéré comme « neutre en carbone », contrairement aux matériaux issus de ressources fossiles.

1. Le texte contient cinq affirmations fausses.

• « 27 protons, 13 neutrons » → faux : l'apprenti a inversé \(A\) et \(Z\). Le chiffre du bas, \(Z = 13\), est le nombre de protons ; celui du haut, \(A = 27\), est le nombre de masse. Le nombre de neutrons se calcule : \(N = A - Z\).
• « 27 électrons » → faux : dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc à \(Z = 13\).
• « un métal neutre ne peut jamais former d'ions » → faux : l'atome est neutre, mais il peut parfaitement perdre des électrons et devenir un cation. C'est précisément ce qui se passe dans l'alumine, où l'aluminium est sous forme \(\text{Al}^{3+}\). L'apprenti se contredit d'ailleurs deux lignes plus loin.
• « \(\text{Al}_2\text{O}_3\) est un corps pur simple » → faux : un corps pur simple ne contient qu'un seul élément chimique. \(\text{Al}_2\text{O}_3\) en contient deux (Al et O) : c'est un corps pur composé.
• « \(\text{Al}^{3+}\) a gagné 3 électrons » → faux : une charge positive traduit une perte d'électrons. Gagner des électrons donnerait une charge négative (anion).

2. Atome \(^{27}_{13}\text{Al}\) : 13 protons, \(N = 27 - 13 = \mathbf{14}\) neutrons, 13 électrons.
Ion \(\text{Al}^{3+}\) : le noyau n'est pas modifié, donc toujours 13 protons et 14 neutrons ; il a perdu 3 électrons, il en reste \(13 - 3 = \mathbf{10}\).

3. \(\text{Al}_2\text{O}_3\) contient \(2 + 3 = \mathbf{5}\) atomes et 2 éléments chimiques (aluminium et oxygène) : c'est un corps pur composé.

4. Exemple de fiche corrigée : « Le profilé est en aluminium \(^{27}_{13}\text{Al}\) : 13 protons, 14 neutrons et 13 électrons. L'atome est neutre, mais il peut perdre 3 électrons pour donner le cation \(\text{Al}^{3+}\), qui possède alors 10 électrons. En surface, l'aluminium forme une couche d'alumine \(\text{Al}_2\text{O}_3\), corps pur composé de 5 atomes et de 2 éléments. C'est cette couche, très adhérente, qui protège le profilé de la corrosion. »

1. L'atome est neutre : le nombre d'électrons est égal au nombre de protons, donc à \(Z\). On lit alors \(Z\) dans le tableau, et on calcule \(A = Z + N\).

Lot A : \(Z = 30\) → zinc ; \(A = 30 + 35 = 65\) → \(\mathbf{^{65}_{30}\text{Zn}}\).
Lot B : \(Z = 26\) → fer ; \(A = 26 + 30 = 56\) → \(\mathbf{^{56}_{26}\text{Fe}}\).
Lot C : \(Z = 13\) → aluminium ; \(A = 13 + 14 = 27\) → \(\mathbf{^{27}_{13}\text{Al}}\).

2. C'est le numéro atomique \(Z\), c'est-à-dire le nombre de protons du noyau. Deux atomes de même \(Z\) sont le même élément, même si leur nombre de neutrons diffère. Le nombre de neutrons, lui, ne suffit jamais à identifier un élément : ici, A et B ont des \(N\) proches (35 et 30) tout en étant deux métaux très différents.

3. Le lot B est en fer : c'est le seul des trois métaux qui rouille. La rouille est un oxyde de fer hydraté, formé par réaction du fer avec le dioxygène et l'eau. L'ion responsable est l'ion \(\text{Fe}^{2+}\) (ion fer II), qui évolue ensuite en \(\text{Fe}^{3+}\) (ion fer III). Le zinc et l'aluminium, eux, se recouvrent d'une couche d'oxyde mince et adhérente qui les protège.

4. Le laiton est un alliage, donc un mélange de cuivre et de zinc : il n'y a pas « un » atome majoritaire unique, mais deux éléments chimiques en proportions variables selon la nuance. Une mesure donnant un seul couple (électrons ; neutrons) n'a plus de sens : l'analyse devrait déterminer la proportion de chaque élément, ce que la méthode utilisée ici ne fait pas.

1. Cellulose \(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\) :
\(m = 6 \times 12 + 10 \times 1 + 5 \times 16 = 72 + 10 + 80 = \mathbf{162\ \text{u}}\).
Part du carbone : \(\dfrac{72}{162} = 0{,}444 = \mathbf{44{,}4\ \%}\) (arrondi au dixième).

2. Lignine \(\text{C}_9\text{H}_{10}\text{O}_2\) : \(m = 9 \times 12 + 10 \times 1 + 2 \times 16 = 108 + 10 + 32 = \mathbf{150\ \text{u}}\) ; carbone : \(\dfrac{108}{150} = \mathbf{72{,}0\ \%}\).
Hémicellulose \(\text{C}_5\text{H}_8\text{O}_4\) : \(m = 5 \times 12 + 8 \times 1 + 4 \times 16 = 60 + 8 + 64 = \mathbf{132\ \text{u}}\) ; carbone : \(\dfrac{60}{132} = 0{,}4545 = \mathbf{45{,}5\ \%}\).

3. On calcule une moyenne pondérée par la part de chaque constituant :
\(0{,}45 \times 44{,}4 + 0{,}25 \times 72{,}0 + 0{,}25 \times 45{,}5 = 19{,}98 + 18{,}00 + 11{,}38 = 49{,}4\).
Ce total ne couvre que 95 % de la masse. En supposant que les 5 % restants ont une teneur en carbone comparable à la moyenne des autres (hypothèse raisonnable : ce sont aussi des molécules organiques à base de C, H et O), on obtient environ \(49{,}4 \div 0{,}95 \approx 52\).
La teneur en carbone du bois sec est donc de l'ordre de 50 % en masse — valeur bien connue des forestiers.

4. \(m_{\text{carbone}} \approx 0{,}50 \times 40 = \mathbf{20\ \text{kg}}\) de carbone dans la poutre. C'est un ordre de grandeur : l'estimation dépend de l'essence et du taux d'humidité résiduel.

5. Les atomes ne disparaissent jamais : ils changent seulement d'assemblage.
• Si la poutre est brûlée, les 20 kg de carbone se retrouvent dans des molécules de \(\text{CO}_2\) rejetées dans l'atmosphère : le carbone que l'arbre avait prélevé est restitué.
• Si la poutre est réemployée, le carbone reste immobilisé dans le bois pendant toute la durée de la nouvelle construction : il n'est pas rendu à l'atmosphère. C'est ce qui fait du réemploi du bois de charpente un geste plus efficace que le simple recyclage énergétique. ✓

1. Un courant électrique est un déplacement de charges. Dans l'eau distillée, il n'y a pratiquement que des molécules \(\text{H}_2\text{O}\), qui sont neutres : aucune charge à transporter, donc quasiment pas de conduction. Dans l'eau salée, le sel dissous libère un très grand nombre d'ions \(\text{Na}^{+}\) et \(\text{Cl}^{-}\), qui sont chargés et libres de se déplacer : ce sont eux qui assurent le passage du courant. L'eau du robinet est un cas intermédiaire : elle contient des ions, mais bien moins nombreux.

2. \(\text{Na}^{+}\) : charge positive → cation. L'atome de sodium a \(Z = 11\) donc 11 électrons ; il en a perdu 1 : \(11 - 1 = \mathbf{10}\) électrons.
\(\text{Cl}^{-}\) : charge négative → anion. L'atome de chlore a \(Z = 17\) donc 17 électrons ; il en a gagné 1 : \(17 + 1 = \mathbf{18}\) électrons.

3. Chaque unité NaCl dissoute libère exactement un \(\text{Na}^{+}\) et un \(\text{Cl}^{-}\). Les charges se compensent deux à deux : \((+1) + (-1) = 0\). L'électron perdu par le sodium est précisément celui qu'a gagné le chlore : rien n'a été créé ni détruit. La solution contient donc autant de charges + que de charges −, elle est globalement neutre — ce qui n'empêche pas ses ions de se déplacer et de conduire le courant.

4. Parce qu'une molécule d'eau est électriquement neutre : elle ne porte aucune charge en excès. La déplacer ne déplace aucune charge nette, donc ne crée aucun courant. Ce ne sont jamais les molécules d'eau qui conduisent, mais les ions dissous dans l'eau.

5. L'affirmation est fausse, et dangereusement simplificatrice : ce n'est pas l'eau qui conduit, ce sont les ions qu'elle transporte.
• Flaque d'eau distillée : très peu d'ions, conduction faible.
• Flaque d'eau de lessive : la lessive apporte de nombreux ions, la conduction est bien plus forte que celle de l'eau du robinet.
• Flaque d'eau de mer : très riche en \(\text{Na}^{+}\) et \(\text{Cl}^{-}\), c'est le pire des trois cas.
En pratique, l'eau réellement rencontrée sur un sol de buanderie, de salle d'eau ou de chantier n'est jamais distillée : elle est toujours chargée d'ions (sels, poussières, produits). C'est pourquoi la règle « aucun appareil électrique les pieds dans l'eau » est absolue, et pourquoi les locaux humides imposent un disjoncteur différentiel. ✓

1. Solide : particules jointives, ordonnées, vibrant sur place → forme et volume propres.
Liquide : particules proches mais désordonnées et mobiles → volume propre, mais prend la forme du récipient.
Gaz : particules très éloignées, très agitées, désordonnées → ni forme ni volume propres, occupe tout l'espace disponible.

2. • Mousse expansive : elle est successivement pâteuse (proche du liquide) puis solide, et le produit final est un solide contenant du gaz — deux états coexistent dans le même matériau. Aucune des trois cases ne le décrit à elle seule.
• Mastic silicone : il tient sa forme comme un solide sur des heures, mais s'écoule comme un liquide sur des semaines. Le classement dépend donc de la durée d'observation, ce que le modèle ne prévoit pas.
• Plâtre frais : c'est bien un liquide au moment de la coulée et un solide vingt minutes plus tard, mais il passe de l'un à l'autre sans variation de température, alors que le modèle relie fusion et solidification au chauffage et au refroidissement.

3. C'est un mélange : le matériau associe au moins deux espèces (le polymère solide et le gaz des bulles). Le mot « solide » est insuffisant : la performance d'isolation de la mousse vient justement du gaz immobilisé dans les bulles, pas du polymère lui-même. Deux mousses de même masse mais de tailles de bulles différentes n'isolent pas pareil, alors que le modèle des trois états les décrirait de la même façon.

4. Un changement d'état ne modifie que l'organisation des particules : les molécules restent les mêmes. Ici, le plâtre durcit parce que l'eau réagit chimiquement avec le sulfate de calcium : de nouvelles espèces se forment et s'enchevêtrent en cristaux. C'est une transformation chimique, irréversible : on ne peut pas « refondre » du plâtre pris comme on refond de la glace.

5. Le modèle permet de prévoir : qu'un solide garde sa forme et un gaz non ; qu'un gaz se comprime beaucoup plus qu'un liquide ; qu'un chauffage augmente l'agitation et peut provoquer fusion puis vaporisation ; que la molécule survit à un changement d'état.
Il ne permet pas de prévoir : les matériaux intermédiaires (pâtes, gels, mousses, verre) ; le rôle de la durée d'observation ; les matériaux composites où plusieurs états coexistent ; les durcissements d'origine chimique.
Un modèle n'est jamais « vrai » ou « faux » : il est utile dans son domaine de validité. Sur un chantier, savoir où ce domaine s'arrête évite des erreurs de mise en œuvre. ✓

1. \(\text{CO}\) : 1 atome de carbone + 1 atome d'oxygène = 2 atomes. \(\text{CO}_2\) : 1 atome de carbone + 2 atomes d'oxygène = 3 atomes. Les deux ne contiennent que du C et de l'O, mais ce qui définit une espèce chimique, c'est la nature ET le nombre des atomes assemblés. Un atome d'oxygène de plus ou de moins donne une molécule différente, aux propriétés totalement différentes : l'une est un gaz de l'air, l'autre est mortelle.

2. \(\text{CH}_4 + 2\,\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\,\text{H}_2\text{O}\) :
• carbone : 1 à gauche ; 1 à droite ✓
• hydrogène : 4 à gauche ; \(2 \times 2 = 4\) à droite ✓
• oxygène : \(2 \times 2 = 4\) à gauche ; \(2 + 2 \times 1 = 4\) à droite ✓
Tous les atomes se retrouvent : rien ne se perd, tout se réorganise.

3. \(2\,\text{CH}_4 + 3\,\text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{CO} + 4\,\text{H}_2\text{O}\) :
• carbone : 2 à gauche ; 2 à droite ✓
• hydrogène : \(2 \times 4 = 8\) à gauche ; \(4 \times 2 = 8\) à droite ✓
• oxygène : \(3 \times 2 = 6\) à gauche ; \(2 \times 1 + 4 \times 1 = 6\) à droite ✓
L'écriture est correcte. Dioxygène consommé par molécule de méthane : 2 en combustion complète, contre \(3 \div 2 = \mathbf{1{,}5}\) en combustion incomplète. Il en faut donc moins.

4. Le \(\text{CO}\) apparaît lorsque le brûleur ne reçoit pas assez de dioxygène pour aller jusqu'à \(\text{CO}_2\) : chaque carbone ne trouve qu'un atome d'oxygène au lieu de deux. Causes concrètes : brûleur encrassé, conduit d'évacuation obstrué, entrée d'air bouchée, pièce non ventilée.

5. Une flamme bleue signe une combustion complète. Une flamme jaune-orange qui suie signe une combustion incomplète : le carbone du méthane n'est pas entièrement transformé en \(\text{CO}_2\), il forme de la suie et surtout du monoxyde de carbone, gaz inodore et incolore que rien ne permet de détecter à l'odorat.
Conduite à tenir : arrêter la chaudière, ouvrir en grand pour ventiler, ne pas rester dans le local, mesurer le \(\text{CO}\) à l'analyseur de combustion, puis rechercher la cause (nettoyage du brûleur, contrôle du conduit, vérification des entrées d'air) avant toute remise en service. C'est exactement la raison pour laquelle l'entretien annuel et la ventilation des locaux sont obligatoires. ✓

1. Le zinc perd 2 électrons : \(\text{Zn} \rightarrow \text{Zn}^{2+} + 2\,e^-\).
Équilibre des charges : à gauche \(\mathbf{0}\) (atome neutre) ; à droite \((+2) + 2 \times (-1) = +2 - 2 = \mathbf{0}\). ✓

2. L'ion fer gagne 2 électrons : \(\text{Fe}^{2+} + 2\,e^- \rightarrow \text{Fe}\).
Équilibre des charges : à gauche \((+2) + 2 \times (-1) = \mathbf{0}\) ; à droite \(\mathbf{0}\). ✓

3. Bilan d'électrons : chaque ion \(\text{Fe}^{2+}\) a besoin de 2 électrons, donc 3 ions en réclament \(3 \times 2 = 6\) électrons. Chaque atome de zinc en libère 2, il en faut donc \(6 \div 2 = \mathbf{3}\) atomes de zinc.
Bilan global : \(3\,\text{Zn} + 3\,\text{Fe}^{2+} \rightarrow 3\,\text{Zn}^{2+} + 3\,\text{Fe}\). Les 6 électrons cédés par le zinc sont exactement les 6 électrons captés par le fer : aucun électron n'est créé ni perdu.

4. Atome de zinc : \(Z = 30\) donc 30 électrons (il est neutre). Ion \(\text{Zn}^{2+}\) : il en a perdu 2, il en reste \(30 - 2 = \mathbf{28}\). Le noyau, lui, garde ses 30 protons — d'où la charge +2.

5. La peinture est une protection purement physique : elle isole le fer de l'air humide. Dès qu'elle est rayée, le fer est directement exposé, perd des électrons, forme des ions \(\text{Fe}^{2+}\) et rouille — et la rouille, qui gonfle, décolle la peinture tout autour : le défaut s'étend.
La galvanisation est une protection électrochimique : le zinc cède ses électrons à la place du fer. Tant qu'il reste du zinc au voisinage de la rayure, tout ion \(\text{Fe}^{2+}\) qui commencerait à se former récupère aussitôt 2 électrons et redevient du fer métallique (question 2). Le fer nu est donc protégé même sans être recouvert, et c'est le zinc qui se consomme lentement. C'est aussi le principe des anodes en magnésium placées dans les ballons d'eau chaude. ✓