Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie
Constitution de la matière : modèle de l'atome
Structure de l'atome, cortège électronique et configuration électronique (programme de 1re Spécialité PC)
À propos de cette page
Calculatrice interdite · Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Devoir surveillé de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.
Exercice 1 — Analyse de nuclides
/ 4 pts- Pour chacun des nuclides suivants, donnez le nombre de protons $Z$, le nombre de neutrons $N$ et le nombre d'électrons dans l'atome neutre. Présentez vos résultats dans un tableau.
• $^{31}_{15}\mathrm{P}$ (phosphore)
• $^{56}_{26}\mathrm{Fe}$ (fer)
• $^{238}_{92}\mathrm{U}$ (uranium)
• $^{4}_{2}\mathrm{He}$ (hélium)
Exercice 2 — Isotopes du néon
/ 4 pts- Le néon possède trois isotopes naturels stables : $^{20}_{10}\mathrm{Ne}$ (90,48 %), $^{21}_{10}\mathrm{Ne}$ (0,27 %) et $^{22}_{10}\mathrm{Ne}$ (9,25 %).
- 1. Montrez que ces trois atomes sont bien des isotopes.
- 2. Calculez la masse atomique du néon (donner le résultat avec 2 décimales).
- 3. Expliquez pourquoi la valeur obtenue n'est pas un entier.
Exercice 3 — Configurations électroniques et propriétés
/ 6 pts- On s'intéresse aux éléments suivants : Si ($Z=14$), Ar ($Z=18$), K ($Z=19$).
- 1. Écrivez la configuration électronique complète de Si, Ar et K.
- 2. Combien d'électrons de valence possède chacun de ces éléments ?
- 3. Justifiez pourquoi l'argon est un gaz noble (inerte chimiquement).
- 4. En utilisant la notation condensée avec [Ar], écrivez la configuration de K.
Exercice 4 — Ions et règle de l'octet
/ 3 pts- Pour chacun des ions suivants, donnez leur configuration électronique et indiquez de quel gaz noble ils adoptent la configuration.
- • $\mathrm{Mg^{2+}}$ ($Z_{Mg}=12$)
- • $\mathrm{N^{3-}}$ ($Z_N=7$)
- • $\mathrm{Cl^-}$ ($Z_{Cl}=17$)
Exercice 5 — Ordre de grandeur et structure de l'atome
/ 3 pts- On modélise l'atome de carbone par une sphère de rayon $r = 77 \times 10^{-12}$ m et son noyau par une sphère de rayon $r_{noyau} = 2{,}7 \times 10^{-15}$ m.
- 1. Calculez le rapport $r / r_{noyau}$.
- 2. Que peut-on en déduire sur la structure de l'atome ?
- 3. Calculez la masse approximative de l'atome de carbone $^{12}_6\mathrm{C}$ en kilogrammes, sachant que $1\ \mathrm{u} = 1{,}66054 \times 10^{-27}$ kg.
Corrigé détaillé — à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie
Exercice 1 — Analyse de nuclides
Corrigé :
| Nuclide | Z (protons) | N (neutrons) | e⁻ (atome neutre) |
|---|---|---|---|
| $^{31}_{15}$P | 15 | 31−15 = 16 | 15 |
| $^{56}_{26}$Fe | 26 | 56−26 = 30 | 26 |
| $^{238}_{92}$U | 92 | 238−92 = 146 | 92 |
| $^{4}_{2}$He | 2 | 4−2 = 2 | 2 |
Exercice 2 — Isotopes du néon
Corrigé :
1. Les trois atomes ont le même numéro atomique $Z = 10$ (ils appartiennent tous à l'élément néon) mais des nombres de masse différents (A = 20, 21 et 22), donc des nombres de neutrons différents (N = 10, 11 et 12). Ce sont bien des isotopes.
2. $M(\mathrm{Ne}) = 0{,}9048 \times 20 + 0{,}0027 \times 21 + 0{,}0925 \times 22$
$= 18{,}096 + 0{,}0567 + 2{,}035 = 20{,}19\ \mathrm{g/mol}$
3. La masse atomique n'est pas un entier car c'est une moyenne pondérée des masses des différents isotopes, chacun pondéré par son abondance naturelle. Cette moyenne peut donner une valeur non entière.
Exercice 3 — Configurations électroniques et propriétés
Corrigé :
1. Configurations électroniques :
• Si ($Z=14$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^2$
• Ar ($Z=18$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6$
• K ($Z=19$) : $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6\ 4s^1$
2. Électrons de valence :
• Si : couche n=3 → $3s^2\ 3p^2$ → 4 électrons de valence
• Ar : couche n=3 → $3s^2\ 3p^6$ → 8 électrons de valence
• K : couche n=4 → $4s^1$ → 1 électron de valence
3. L'argon possède 8 électrons de valence (couche externe complète : $3s^2\ 3p^6$). Cette configuration est particulièrement stable (octet complet), ce qui explique pourquoi l'argon ne réagit pratiquement pas chimiquement.
4. K : $[\mathrm{Ar}]\ 4s^1$ (car [Ar] = $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2\ 3p^6$, configuration du gaz noble précédent).
Exercice 4 — Ions et règle de l'octet
Corrigé :
• Mg²⁺ : Mg neutre → $1s^2\ 2s^2\ 2p^6\ 3s^2$. Mg²⁺ perd 2 électrons (les 3s²) → $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$. C'est la configuration du néon (Z=10).
• N³⁻ : N neutre → $1s^2\ 2s^2\ 2p^3$. N³⁻ gagne 3 électrons → $1s^2\ 2s^2\ 2p^6$. C'est la configuration du néon (Z=10).
• Cl⁻ : Cl neutre → $[\mathrm{Ne}]\ 3s^2\ 3p^5$. Cl⁻ gagne 1 électron → $[\mathrm{Ne}]\ 3s^2\ 3p^6$. C'est la configuration de l'argon (Z=18).
Exercice 5 — Ordre de grandeur et structure de l'atome
Corrigé :
1. $\frac{r}{r_{noyau}} = \frac{77 \times 10^{-12}}{2{,}7 \times 10^{-15}} = \frac{77}{2{,}7} \times 10^{-12+15} = 28{,}5 \times 10^3 \approx 2{,}85 \times 10^4$
Le rayon de l'atome est environ 30 000 fois plus grand que celui du noyau.
2. L'atome est composé essentiellement de vide : le noyau (qui porte la quasi-totalité de la masse) est extrêmement petit par rapport à l'atome. Le cortège électronique occupe tout l'espace mais ne représente qu'une infime fraction de la masse.
3. La masse du $^{12}\mathrm{C}$ est $m \approx A \times 1\ \mathrm{u} = 12 \times 1{,}66054 \times 10^{-27} \approx 1{,}99 \times 10^{-26}$ kg.
Ce contrôle de spécialité physique-chimie 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Constitution de la matière : modèle de l'atome » : 5 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le corrigé détaillé est dépliable sous le sujet.
- Exercice 1 — Analyse de nuclides/ 4 pts
- Exercice 2 — Isotopes du néon/ 4 pts
- Exercice 3 — Configurations électroniques et propriétés/ 6 pts
- Exercice 4 — Ions et règle de l'octet/ 3 pts
- Exercice 5 — Ordre de grandeur et structure de l'atome/ 3 pts
Notions évaluées
Constituants de l'atome, Caractéristiques du noyau : numéro atomique Z et nombre de masse A, Isotopes et abondance naturelle, Structure électronique : couches et sous-couches, Configuration électronique : règles de remplissage, Ions : formation et charge.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours.
- Refaire les exercices corrigés et les problèmes.
- Se tester avec le QCM (37 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
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Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Constitution de la matière : modèle de l'atome » ?
- 60 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé détaillé se déplie sous le sujet, à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de spécialité physique-chimie de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Constitution de la matière : modèle de l'atome » du programme officiel de spécialité physique-chimie en première, soit Constituants de l'atome, Caractéristiques du noyau : numéro atomique Z et nombre de masse A, Isotopes et abondance naturelle, Structure électronique : couches et sous-couches.
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