Structure de la matière — Physique-Chimie — Seconde Bac Pro
Durée : 10-15 min | Calculatrice autorisée
Barème : 20 points
Compléter le tableau suivant pour l'atome de carbone \({}^{12}_{6}\text{C}\) :
| Particule | Nom | Charge | Nombre |
|---|---|---|---|
| p⁺ | ... | ... | ... |
| n⁰ | ... | ... | ... |
| e⁻ | ... | ... | ... |
| Particule | Nom | Charge | Nombre |
|---|---|---|---|
| p⁺ | Proton | Positive (+) | 6 |
| n⁰ | Neutron | Neutre (0) | 6 (car \(N = A - Z = 12 - 6\)) |
| e⁻ | Électron | Négative (−) | 6 (car atome neutre) |
L'atome d'oxygène a pour notation \({}^{16}_{8}\text{O}\).
a) Donner la valeur de \(Z\) et de \(A\) : \(Z = ...\) et \(A = ...\)
b) Combien de protons contient le noyau ? \(Z = ...\)
c) Combien de neutrons ? \(N = A - Z = ... - ... = ...\)
d) Combien d'électrons ? (l'atome est neutre) : \(... = ...\)
a) \(Z = \mathbf{8}\) et \(A = \mathbf{16}\)
b) \(\mathbf{8}\) protons
c) \(N = 16 - 8 = \mathbf{8}\) neutrons
d) \(\mathbf{8}\) électrons (car l'atome est neutre : autant d'électrons que de protons)
Indiquer si les espèces suivantes sont un atome, un cation ou un anion :
a) Na⁺
b) Cl⁻
c) Fe
d) O²⁻
a) Na⁺ : cation (ion positif, il a perdu 1 électron)
b) Cl⁻ : anion (ion négatif, il a gagné 1 électron)
c) Fe : atome (pas de charge, il est neutre)
d) O²⁻ : anion (ion négatif, il a gagné 2 électrons)
Pour la molécule de dioxyde de carbone \(\text{CO}_2\) :
a) Quels atomes la composent ?
b) Combien d'atomes au total contient une molécule ?
c) La cellulose du bois a pour formule \(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\). Combien d'atomes de chaque élément contient une molécule ?
a) Carbone (C) et oxygène (O)
b) 1 atome de C + 2 atomes de O = 3 atomes au total
c) \(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\) contient : 6 atomes de carbone, 10 atomes d'hydrogène et 5 atomes d'oxygène, soit 21 atomes au total.
Associer chaque description à l'état physique correspondant (solide, liquide ou gaz) :
a) Les particules sont très éloignées les unes des autres et se déplacent dans toutes les directions.
b) Les particules sont très proches et organisées de manière ordonnée.
c) Les particules sont proches mais se déplacent librement les unes par rapport aux autres.
a) Gaz — particules éloignées, mouvement désordonné.
b) Solide — particules proches et ordonnées (structure cristalline).
c) Liquide — particules proches mais mobiles.
Barème : 20 points
Compléter le tableau suivant pour l'atome d'azote \({}^{14}_{7}\text{N}\) :
| Particule | Nom | Charge | Nombre |
|---|---|---|---|
| p⁺ | ... | ... | ... |
| n⁰ | ... | ... | ... |
| e⁻ | ... | ... | ... |
| Particule | Nom | Charge | Nombre |
|---|---|---|---|
| p⁺ | Proton | Positive (+) | 7 |
| n⁰ | Neutron | Neutre (0) | 7 (car \(N = A - Z = 14 - 7\)) |
| e⁻ | Électron | Négative (−) | 7 (car atome neutre) |
L'atome de sodium a pour notation \({}^{23}_{11}\text{Na}\).
a) Donner la valeur de \(Z\) et de \(A\) : \(Z = ...\) et \(A = ...\)
b) Combien de protons contient le noyau ? \(Z = ...\)
c) Combien de neutrons ? \(N = A - Z = ... - ... = ...\)
d) Combien d'électrons ? (l'atome est neutre) : \(... = ...\)
a) \(Z = \mathbf{11}\) et \(A = \mathbf{23}\)
b) \(\mathbf{11}\) protons
c) \(N = 23 - 11 = \mathbf{12}\) neutrons
d) \(\mathbf{11}\) électrons (car l'atome est neutre : autant d'électrons que de protons)
Indiquer si les espèces suivantes sont un atome, un cation ou un anion :
a) Ca²⁺
b) S²⁻
c) Cu
d) K⁺
a) Ca²⁺ : cation (ion positif, il a perdu 2 électrons)
b) S²⁻ : anion (ion négatif, il a gagné 2 électrons)
c) Cu : atome (pas de charge, il est neutre)
d) K⁺ : cation (ion positif, il a perdu 1 électron)
Pour la molécule de méthane \(\text{CH}_4\) :
a) Quels atomes la composent ?
b) Combien d'atomes au total contient une molécule ?
c) La lignine du bois a pour formule simplifiée \(\text{C}_9\text{H}_{10}\text{O}_2\). Combien d'atomes de chaque élément contient une molécule ?
a) Carbone (C) et hydrogène (H)
b) 1 atome de C + 4 atomes de H = 5 atomes au total
c) \(\text{C}_9\text{H}_{10}\text{O}_2\) contient : 9 atomes de carbone, 10 atomes d'hydrogène et 2 atomes d'oxygène, soit 21 atomes au total.
Associer chaque situation à l'état physique correspondant (solide, liquide ou gaz) :
a) La vapeur d'eau qui s'échappe d'une bouilloire.
b) Un glaçon dans un verre.
c) L'huile dans un bidon de lubrification.
a) Gaz — la vapeur d'eau est de l'eau à l'état gazeux.
b) Solide — le glaçon est de l'eau à l'état solide.
c) Liquide — l'huile est un liquide à température ambiante.
Barème : 20 points
L'atome de fer a pour notation \({}^{56}_{26}\text{Fe}\).
a) Déterminer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de cet atome.
b) L'ion fer(III) a pour formule Fe³⁺. Combien d'électrons possède-t-il ? Justifier.
a) \(Z = 26\) → 26 protons. \(N = A - Z = 56 - 26 = \mathbf{30}\) neutrons. Atome neutre → 26 électrons.
b) Fe³⁺ est un cation : il a perdu 3 électrons. Il possède donc \(26 - 3 = \mathbf{23}\) électrons.
La rouille qui attaque les outils métalliques en atelier est de l'oxyde de fer(III) de formule \(\text{Fe}_2\text{O}_3\).
a) Quels éléments chimiques composent cette molécule ?
b) Combien d'atomes de chaque élément contient la formule ?
c) Le vernis protecteur appliqué sur le bois contient des résines de formule simplifiée \(\text{C}_8\text{H}_8\). Combien d'atomes au total dans cette molécule ?
a) Fer (Fe) et oxygène (O).
b) 2 atomes de fer et 3 atomes d'oxygène.
c) \(\text{C}_8\text{H}_8\) : 8 atomes de C + 8 atomes de H = 16 atomes au total.
On considère les espèces chimiques suivantes : Na, Na⁺, Cl, Cl⁻, NaCl.
a) Parmi ces espèces, identifier les atomes, les ions et le composé ionique.
b) Écrire l'équation de dissociation du chlorure de sodium dans l'eau.
c) Le sel est utilisé pour dégivrer les routes. Expliquer pourquoi l'eau salée est un mélange homogène.
a) Atomes : Na et Cl. Ions : Na⁺ (cation) et Cl⁻ (anion). Composé ionique : NaCl.
b) \(\text{NaCl}(\text{s}) \xrightarrow{\text{eau}} \text{Na}^+(\text{aq}) + \text{Cl}^-(\text{aq})\)
c) Quand le sel se dissout dans l'eau, les ions Na⁺ et Cl⁻ se dispersent uniformément dans l'eau. On ne distingue plus de phases séparées à l'œil nu : c'est un mélange homogène (solution aqueuse).
Le bois est principalement composé de cellulose (\(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\)) et de lignine. Un menuisier brûle des chutes de bois.
a) Quels éléments chimiques sont présents dans la cellulose ?
b) Lors de la combustion complète, la cellulose réagit avec le dioxygène (\(\text{O}_2\)) pour former du dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et de l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)). Quels sont les réactifs et les produits ?
a) Carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O).
b) Réactifs : cellulose (\(\text{C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\)) et dioxygène (\(\text{O}_2\)). Produits : dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).
Expliquer la différence entre un mélange homogène et un mélange hétérogène. Donner un exemple de chaque en lien avec l'atelier de menuiserie.
Un mélange homogène a un aspect uniforme : on ne distingue pas les constituants à l'œil nu. Exemple : un vernis dilué dans un solvant.
Un mélange hétérogène présente des phases visibles distinctes. Exemple : de la sciure mélangée à de l'eau (on voit la sciure flotter ou se déposer).
Barème : 20 points
L'atome d'aluminium a pour notation \({}^{27}_{13}\text{Al}\).
a) Déterminer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de cet atome.
b) L'ion aluminium(III) a pour formule Al³⁺. Combien d'électrons possède-t-il ? Justifier.
a) \(Z = 13\) → 13 protons. \(N = A - Z = 27 - 13 = \mathbf{14}\) neutrons. Atome neutre → 13 électrons.
b) Al³⁺ est un cation : il a perdu 3 électrons. Il possède donc \(13 - 3 = \mathbf{10}\) électrons.
Les tuyaux en cuivre utilisés en plomberie peuvent s'oxyder et former du vert-de-gris, de l'hydroxycarbonate de cuivre de formule \(\text{Cu}_2(\text{OH})_2\text{CO}_3\).
a) Quels éléments chimiques composent cette substance ?
b) Combien d'atomes de chaque élément contient la formule ?
c) La colle à bois (acétate de polyvinyle) a pour motif de base \(\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_2\). Combien d'atomes au total dans ce motif ?
a) Cuivre (Cu), oxygène (O), hydrogène (H) et carbone (C).
b) 2 atomes de cuivre, 2 atomes d'oxygène (dans OH) + 3 atomes d'oxygène (dans CO₃) = 5 O au total, 2 atomes d'hydrogène, 1 atome de carbone.
c) \(\text{C}_4\text{H}_6\text{O}_2\) : 4 + 6 + 2 = 12 atomes au total.
On considère les espèces chimiques suivantes : Ca, Ca²⁺, F, F⁻, CaF₂.
a) Parmi ces espèces, identifier les atomes, les ions et le composé ionique.
b) Écrire l'équation de dissociation du fluorure de calcium dans l'eau.
c) L'eau du robinet contient des ions calcium Ca²⁺. Expliquer pourquoi l'eau du robinet est un mélange homogène.
a) Atomes : Ca et F. Ions : Ca²⁺ (cation) et F⁻ (anion). Composé ionique : CaF₂.
b) \(\text{CaF}_2(\text{s}) \xrightarrow{\text{eau}} \text{Ca}^{2+}(\text{aq}) + 2\,\text{F}^-(\text{aq})\)
c) Quand le fluorure de calcium se dissout dans l'eau, les ions Ca²⁺ et F⁻ se dispersent uniformément. On ne distingue pas de phases séparées à l'œil nu : c'est un mélange homogène (solution aqueuse).
La combustion du gaz naturel (méthane \(\text{CH}_4\)) est utilisée pour le chauffage des bâtiments.
a) Quels éléments chimiques sont présents dans le méthane ?
b) Lors de la combustion complète, le méthane réagit avec le dioxygène (\(\text{O}_2\)) pour former du dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et de l'eau (\(\text{H}_2\text{O}\)). Quels sont les réactifs et les produits ?
a) Carbone (C) et hydrogène (H).
b) Réactifs : méthane (\(\text{CH}_4\)) et dioxygène (\(\text{O}_2\)). Produits : dioxyde de carbone (\(\text{CO}_2\)) et eau (\(\text{H}_2\text{O}\)).
Expliquer la différence entre un corps pur et un mélange. Donner un exemple de chaque en lien avec la vie quotidienne.
Un corps pur est constitué d'une seule espèce chimique. Exemple : l'eau distillée (uniquement des molécules H₂O).
Un mélange est constitué de plusieurs espèces chimiques. Exemple : l'eau du robinet (eau + ions calcium, chlore, etc.).
Barème : 20 points
Le cuivre naturel existe sous deux isotopes : \({}^{63}_{29}\text{Cu}\) et \({}^{65}_{29}\text{Cu}\).
a) Donner le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de chaque isotope.
b) Expliquer pourquoi ces deux atomes sont des isotopes du même élément.
a) Les deux isotopes ont \(Z = 29\), donc 29 protons et 29 électrons.
\({}^{63}_{29}\text{Cu}\) : \(N = 63 - 29 = \mathbf{34}\) neutrons.
\({}^{65}_{29}\text{Cu}\) : \(N = 65 - 29 = \mathbf{36}\) neutrons.
b) Ce sont des isotopes car ils possèdent le même numéro atomique \(Z = 29\) (même nombre de protons) mais un nombre de neutrons différent (34 et 36). Ils appartiennent donc au même élément chimique (cuivre).
L'ion calcium Ca²⁺ est présent dans l'eau calcaire qui peut endommager les circuits de chauffage en atelier.
a) L'atome de calcium a pour numéro atomique \(Z = 20\). Combien d'électrons possède l'atome de calcium ?
b) L'ion Ca²⁺ a-t-il gagné ou perdu des électrons ? Combien ?
c) La configuration électronique de l'atome de calcium est (K)²(L)⁸(M)⁸(N)². Quelle est la configuration de l'ion Ca²⁺ ?
d) L'ion Ca²⁺ a la même configuration électronique qu'un gaz noble. Lequel ? (\(Z_{\text{Ar}} = 18\))
a) L'atome est neutre : il possède \(Z = \mathbf{20}\) électrons.
b) Ca²⁺ est un cation (charge positive) : il a perdu 2 électrons.
c) Ca²⁺ : (K)²(L)⁸(M)⁸ → \(\mathbf{18}\) électrons.
d) C'est la même configuration que l'argon (Ar), gaz noble de \(Z = 18\).
Un ébéniste utilise une colle époxy à deux composants. Le composant A contient une résine de formule simplifiée \(\text{C}_{21}\text{H}_{25}\text{ClO}_5\).
a) Combien d'éléments chimiques différents composent cette molécule ?
b) Combien d'atomes au total contient une molécule ?
c) Ce composé contient-il des ions ? Justifier.
a) 4 éléments : carbone (C), hydrogène (H), chlore (Cl) et oxygène (O).
b) \(21 + 25 + 1 + 5 = \mathbf{52}\) atomes au total.
c) Non. C'est une molécule (formule brute sans charges). Les atomes sont liés par des liaisons covalentes, pas par des liaisons ioniques. Il n'y a pas d'ions.
En atelier, un artisan menuisier chauffe de la colle thermofusible (solide → liquide) puis la laisse refroidir (liquide → solide).
a) Nommer les deux changements d'état impliqués.
b) À l'échelle microscopique, décrire ce qui se passe lors du passage de l'état solide à l'état liquide.
c) La masse de colle change-t-elle lors du changement d'état ? Justifier.
a) Solide → liquide : fusion. Liquide → solide : solidification.
b) Lors de la fusion, l'apport de chaleur augmente l'agitation des particules. Les liaisons entre particules se rompent partiellement : les particules restent proches mais peuvent se déplacer librement les unes par rapport aux autres. L'arrangement ordonné du solide est perdu.
c) Non. La masse est conservée lors d'un changement d'état. Ce sont les mêmes particules, elles changent simplement d'organisation.
Le tableau périodique classe les éléments par numéro atomique \(Z\) croissant. Les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques similaires.
Le sodium (Na, \(Z = 11\)) et le potassium (K, \(Z = 19\)) sont dans la même colonne. Le sodium forme l'ion Na⁺. Quel ion forme le potassium ? Justifier en utilisant la notion de colonne du tableau périodique.
Na et K sont dans la même colonne du tableau périodique, ils ont donc des propriétés chimiques similaires. Le sodium forme Na⁺ en perdant 1 électron. Par analogie, le potassium forme K⁺ en perdant également 1 électron.
Les deux éléments ont un seul électron sur leur couche externe qu'ils perdent facilement pour atteindre la configuration stable du gaz noble le plus proche.
Barème : 20 points
Le chlore naturel existe sous deux isotopes : \({}^{35}_{17}\text{Cl}\) et \({}^{37}_{17}\text{Cl}\).
a) Donner le nombre de protons, de neutrons et d'électrons de chaque isotope.
b) Expliquer pourquoi ces deux atomes sont des isotopes du même élément.
a) Les deux isotopes ont \(Z = 17\), donc 17 protons et 17 électrons.
\({}^{35}_{17}\text{Cl}\) : \(N = 35 - 17 = \mathbf{18}\) neutrons.
\({}^{37}_{17}\text{Cl}\) : \(N = 37 - 17 = \mathbf{20}\) neutrons.
b) Ce sont des isotopes car ils possèdent le même numéro atomique \(Z = 17\) (même nombre de protons) mais un nombre de neutrons différent (18 et 20). Ils appartiennent donc au même élément chimique (chlore).
L'ion sodium Na⁺ est présent dans le sel de table (chlorure de sodium) utilisé au quotidien.
a) L'atome de sodium a pour numéro atomique \(Z = 11\). Combien d'électrons possède l'atome de sodium ?
b) L'ion Na⁺ a-t-il gagné ou perdu des électrons ? Combien ?
c) La configuration électronique de l'atome de sodium est (K)²(L)⁸(M)¹. Quelle est la configuration de l'ion Na⁺ ?
d) L'ion Na⁺ a la même configuration électronique qu'un gaz noble. Lequel ? (\(Z_{\text{Ne}} = 10\))
a) L'atome est neutre : il possède \(Z = \mathbf{11}\) électrons.
b) Na⁺ est un cation (charge positive) : il a perdu 1 électron.
c) Na⁺ : (K)²(L)⁸ → \(\mathbf{10}\) électrons.
d) C'est la même configuration que le néon (Ne), gaz noble de \(Z = 10\).
Un artisan menuisier utilise un vernis polyuréthane dont le solvant a pour formule simplifiée \(\text{C}_3\text{H}_6\text{O}\) (acétone).
a) Combien d'éléments chimiques différents composent cette molécule ?
b) Combien d'atomes au total contient une molécule ?
c) Ce composé contient-il des ions ? Justifier.
a) 3 éléments : carbone (C), hydrogène (H) et oxygène (O).
b) \(3 + 6 + 1 = \mathbf{10}\) atomes au total.
c) Non. C'est une molécule (formule brute sans charges). Les atomes sont liés par des liaisons covalentes, pas par des liaisons ioniques. Il n'y a pas d'ions.
Un plombier chauffagiste observe du tartre dans un tuyau. Le tartre est du carbonate de calcium qui se forme quand l'eau est chauffée. En refroidissant, la glace se forme dans les canalisations en hiver.
a) Nommer les deux changements d'état impliqués : eau liquide → glace, et glace → eau liquide.
b) À l'échelle microscopique, décrire ce qui se passe lors du passage de l'état liquide à l'état solide.
c) Le volume d'eau change-t-il lors de la solidification ? Que provoque ce phénomène dans les canalisations ?
a) Eau liquide → glace : solidification. Glace → eau liquide : fusion.
b) Lors de la solidification, la diminution de température réduit l'agitation des particules. Les particules s'organisent en un arrangement ordonné et régulier. Des liaisons stables se forment entre les particules.
c) Oui, le volume de l'eau augmente lors de la solidification (cas particulier de l'eau). Cette augmentation de volume exerce une pression sur les parois des canalisations et peut provoquer leur éclatement (gel des tuyaux).
Le tableau périodique classe les éléments par numéro atomique \(Z\) croissant. Les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques similaires.
Le fluor (F, \(Z = 9\)) et le chlore (Cl, \(Z = 17\)) sont dans la même colonne. Le fluor forme l'ion F⁻. Quel ion forme le chlore ? Justifier en utilisant la notion de colonne du tableau périodique.
F et Cl sont dans la même colonne du tableau périodique, ils ont donc des propriétés chimiques similaires. Le fluor forme F⁻ en gagnant 1 électron. Par analogie, le chlore forme Cl⁻ en gagnant également 1 électron.
Les deux éléments ont 7 électrons sur leur couche externe et gagnent facilement 1 électron pour atteindre la configuration stable du gaz noble le plus proche (8 électrons sur la couche externe).