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Devoir surveillé : de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification

Maths 3ᵉ · un devoir qui mélange 3 chapitres, en 3 niveaux : ★ les bases, ★★ niveau DS classique, ★★★ pour aller plus loin. Sujets et corrigés détaillés, à faire en temps limité puis à corriger.

Niveau ★les basesNiveau ★★niveau DS classiqueNiveau ★★★pour aller plus loin

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Niveau ★ les bases · Durée 55 min · Noté sur 20

55:00

benprofparticulier.frChimie · 3ᵉ

Devoir surveillé – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Le magnésium, de la case à l’ion

(4 pts)

Voici la case du magnésium dans le tableau périodique : 12 · Mg · magnésium · 24,31. L’atome de magnésium le plus courant contient 24 nucléons. Données : e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; les lignes du tableau vont de Z = 1 à 2, de Z = 3 à 10, puis de Z = 11 à 18.

a)Combien de protons et d’électrons possède un atome de magnésium ? Que représente le nombre 24,31 ?
b)Calcule le nombre de neutrons de cet atome, puis la charge électrique de son noyau.
c)Dans quelle période et dans quelle colonne se trouve le magnésium ? Justifie à partir de Z, puis nomme sa famille.
d)Prévois l’ion formé par le magnésium. Est-ce un cation ou un anion ? Combien d’électrons possède-t-il ?

Exercice 2 – De Démocrite à Moseley

(4 pts)

Voici, dans le désordre, cinq étapes de l’histoire de la matière. (A) Chadwick découvre le neutron. (B) Mendeleïev range les 63 éléments alors connus par masse atomique croissante. (C) Thomson découvre l’électron. (D) Rutherford propose un atome formé d’un noyau minuscule entouré d’électrons. (E) Moseley montre que le bon critère pour ranger les éléments est le numéro atomique Z.

a)Range ces cinq étapes dans l’ordre chronologique, en donnant la date de chacune.
b)Pourquoi Mendeleïev ne pouvait-il pas, à son époque, ranger les éléments par numéro atomique ?
c)Pour Dalton, les atomes étaient de petites boules pleines, sans constituants. Avec ce modèle, pourrait-on expliquer la formation d’un ion ? Dès quelle étape de la liste peut-on l’expliquer ? Justifie.
d)Dans le tableau actuel, on connaît un élément de numéro atomique 41 et un élément de numéro atomique 44. Combien d’éléments se placent entre eux ? Pourquoi un classement par masse ne permettait-il pas d’en être sûr ?

Exercice 3 – La pierre d’alun

(4 pts)

La pierre d’alun naturelle, vendue comme déodorant, est un solide ionique : l’alun de potassium. Sa formule, sans l’eau qu’il contient, est KAl(SO₄)₂ : il contient des ions potassium, des ions aluminium et des ions sulfate (le 2 placé après la parenthèse indique deux ions sulfate). Données : potassium K, colonne 1 ; aluminium Al, colonne 13. On utilise la banque de tests du cours.

a)Prévois, à partir de leur colonne, la formule de l’ion potassium et celle de l’ion aluminium. Combien d’électrons chaque atome a-t-il perdus ?
b)Écris la formule de l’ion sulfate. Cet ion est-il monoatomique ou polyatomique ? Justifie.
c)Montre par un calcul de charges que la formule KAl(SO₄)₂ correspond à un solide électriquement neutre.
d)On dissout un morceau de pierre d’alun dans de l’eau distillée, puis on fait les deux tests de la banque. Prévois ce que l’on observe avec la soude, puis avec le nitrate d’argent. Justifie.

Exercice 4 – Une feuille d’or

(4 pts)

Les doreurs posent sur les cadres et les statues des feuilles d’or très fines. Un petit carré de feuille d’or a une masse de 0,20 mg. L’or a pour symbole Au et pour numéro atomique Z = 79 ; il se place dans la période 6, colonne 11. Son atome contient 197 nucléons. Donnée : masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg.

a)Donne la composition d’un atome d’or : nombre de protons, de neutrons et d’électrons.
b)Le symbole Au ne ressemble pas au mot « or ». D’où vient-il ? L’or est-il un métal ou un non-métal ? Justifie par sa place dans le tableau.
c)Calcule la masse d’un atome d’or (on néglige les électrons). Donne-la en notation scientifique, arrondie au centième.
d)Convertis la masse du carré de feuille d’or en kilogrammes, puis calcule le nombre d’atomes d’or qu’il contient (deux chiffres significatifs).

Exercice 5 – Corriger la copie de Lina

(4 pts)

Chaque phrase de la copie de Lina contient une erreur. Explique-la, puis écris ce qu’il fallait écrire.

a)« Le noyau de l’atome de chlore (Z = 17) contient 17 protons et 17 électrons. »
b)« Le néon (Z = 10), dans la colonne 18, gagne deux électrons et forme l’ion Ne²⁻. »
c)« L’ion sulfure S²⁻ (Z = 16) possède 16 − 2 = 14 électrons. »
d)« La solution de nitrate de zinc s’écrit (Zn²⁺ + NO₃²⁻) : l’ion nitrate prend deux charges pour compenser celles de l’ion zinc. »

Bon courage !

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Corrigé et barème – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Exercice 1 – Le magnésium, de la case à l’ion

(4 pts)

a)L’entier de la case est Z = 12 : 12 protons et, comme l’atome est électriquement neutre, 12 électrons (0,5 pt). 24,31, un nombre décimal, est la masse atomique : ce n’est pas un nombre de particules. (0,5 pt) (1)
b)Neutrons = nucléons − Z = 24 − 12 = 12 neutrons (0,5 pt). Seuls les protons du noyau sont chargés : 12 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 19,2 × 10⁻¹⁹ = 1,92 × 10⁻¹⁸ C. (0,5 pt) (1)
c)Z = 12 est entre 11 et 18 : période 3. Dans cette ligne, le sodium (Z = 11) est en colonne 1, donc le magnésium (Z = 12) en colonne 2 (0,5 pt). Colonne 2 : la famille des alcalino-terreux. (0,5 pt) (1)
d)Un élément de la colonne 2 perd 2 électrons : Mg²⁺, l’ion magnésium (0,5 pt). Sa charge est positive : c’est un cation, avec 12 − 2 = 10 électrons (et toujours 12 protons). (0,5 pt) (1)

Méthode — tout part de Z, l’entier de la case : il donne les protons, les électrons de l’atome et la place dans le tableau ; la colonne donne ensuite l’ion.

Exercice 2 – De Démocrite à Moseley

(4 pts)

a)B (1869), C (1897), D (1911), E (1913-1914), A (1932). (1 pt : 0,5 pt pour l’ordre, 0,5 pt pour les dates) (1)
b)Z est le nombre de protons du noyau (0,5 pt). En 1869, on ne connaissait ni l’électron (1897) ni le noyau (1911) : personne ne pouvait compter des protons. Mendeleïev ne disposait que des masses atomiques. (0,5 pt) (1)
c)Non : un ion est un atome qui a perdu ou gagné des électrons ; une boule pleine sans constituants ne peut rien perdre ni rien gagner (0,5 pt). Dès l’étape C (1897) : Thomson montre que l’atome contient des électrons, des particules qu’on peut lui enlever ou lui ajouter ; le modèle de Rutherford (D) les garde ensuite autour du noyau. (0,5 pt) (1)
d)D’une case à la suivante, il y a un proton de plus : entre Z = 41 et Z = 44 se placent les éléments 42 et 43, soit 2 éléments (0,5 pt). Les masses atomiques, elles, ne sont pas des entiers qui se suivent : un écart de masse ne dit pas combien d’éléments manquent. (0,5 pt) (1)

Piège — Mendeleïev ne connaissait ni les protons ni Z : il rangeait par masse. Le numéro atomique, lui, augmente de 1 d’une case à la suivante, ce qui permet de compter les cases.

Exercice 3 – La pierre d’alun

(4 pts)

a)Colonne 1 : 1 électron perdu, K⁺ (0,5 pt). Colonne 13 : 3 électrons perdus, Al³⁺. (0,5 pt) (1)
b)SO₄²⁻ (0,5 pt). Il est polyatomique : il est formé de 5 atomes liés, 1 atome de soufre et 4 atomes d’oxygène. (0,5 pt) (1)
c)Charges + : 1 ion K⁺ et 1 ion Al³⁺, soit 1 + 3 = +4 (0,5 pt). Charges − : 2 ions SO₄²⁻, soit 2 × (−2) = −4. Total : +4 − 4 = 0, le solide est électriquement neutre. (0,5 pt) (1)
d)Soude : précipité blanc, dû aux ions aluminium ; les ions potassium ne donnent rien (0,5 pt). Nitrate d’argent : aucun précipité, car la solution ne contient pas d’ions chlorure (les ions sulfate ne réagissent pas). (0,5 pt) (1)

Astuce — dans un solide ionique comme dans une solution, on multiplie la charge de chaque ion par le nombre de ces ions ; un chiffre placé après une parenthèse porte sur tout l’ion polyatomique.

Exercice 4 – Une feuille d’or

(4 pts)

a)79 protons (Z = 79) et 79 électrons, car l’atome est neutre (0,5 pt) ; neutrons : 197 − 79 = 118 neutrons. (0,5 pt) (1)
b)Comme Pb (plumbum) ou Ag (argentum), il vient du nom latin de l’élément, aurum (0,5 pt). Colonne 11, au centre du tableau : c’est un métal (les non-métaux sont en haut à droite). (0,5 pt) (1)
c)197 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 328,99 × 10⁻²⁷ (0,5 pt) = 3,2899 × 10⁻²⁵ ≈ 3,29 × 10⁻²⁵ kg. (0,5 pt) (1)
d)1 mg = 10⁻⁶ kg : 0,20 mg = 2,0 × 10⁻⁷ kg (0,5 pt). 2,0 × 10⁻⁷ ÷ (3,29 × 10⁻²⁵) ≈ 0,608 × 10¹⁸ ≈ 6,1 × 10¹⁷ atomes. (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — diviser des milligrammes par des kilogrammes : 1 mg = 10⁻³ g = 10⁻⁶ kg, et l’on convertit la masse de l’échantillon avant de diviser.

Exercice 5 – Corriger la copie de Lina

(4 pts)

a)Les électrons ne sont jamais dans le noyau : ils se déplacent autour (0,5 pt). Le noyau contient 17 protons et des neutrons ; les 17 électrons sont autour du noyau. (0,5 pt) (1)
b)Le néon est un gaz noble (colonne 18) : il ne forme pas d’ion (0,5 pt). Ce sont les éléments de la colonne 16, comme l’oxygène, qui gagnent deux électrons. (0,5 pt) (1)
c)S²⁻ est un anion : l’atome a gagné 2 électrons, il faut ajouter la charge, pas la retirer (0,5 pt). 16 + 2 = 18 électrons. (0,5 pt) (1)
d)Un ion garde toujours la même charge : l’ion nitrate est NO₃⁻ (0,5 pt). Pour compenser les 2 charges + de Zn²⁺, il faut deux ions nitrate : (Zn²⁺ + 2 NO₃⁻). (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — changer la charge d’un ion pour « équilibrer » une solution : la charge d’un ion ne se modifie jamais, on change le nombre d’ions.

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Niveau ★★ niveau DS classique · Durée 55 min · Noté sur 20

55:00

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Devoir surveillé – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Le fluor du dentifrice

(4 pts)

Sur un tube de dentifrice, on lit : « contient du fluorure de sodium (1 450 ppm de fluor) ». Cela signifie qu’un gramme de dentifrice contient 1,45 mg d’ions fluorure. Données : fluor F, Z = 9, colonne 17, son atome contient 19 nucléons ; sodium Na, Z = 11, colonne 1 ; masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; masse d’un électron 9,1 × 10⁻³¹ kg.

a)Prévois, en justifiant par la colonne, l’ion formé par le fluor et celui formé par le sodium. Écris la solution obtenue quand on dissout du fluorure de sodium dans l’eau.
b)Donne le nombre de protons, de neutrons et d’électrons d’un ion fluorure.
c)Calcule la masse d’un ion fluorure. Faut-il tenir compte de l’électron gagné par l’atome ? Justifie par un calcul.
d)Calcule le nombre d’ions fluorure contenus dans 1 g de ce dentifrice (deux chiffres significatifs).

Exercice 2 – Métal ou non-métal : qui conduit ?

(4 pts)

Les câbles des lignes à haute tension contiennent surtout de l’aluminium, un bon conducteur. Le soufre, lui, conduit très mal le courant. Données : aluminium Al, Z = 13 ; silicium Si, Z = 14, un métalloïde de la ligne en escalier ; soufre S, Z = 16 ; les lignes du tableau vont de Z = 1 à 2, de Z = 3 à 10, de Z = 11 à 18, puis de Z = 19 à 36.

a)Situe l’aluminium et le soufre dans le tableau : période et colonne. Justifie.
b)En t’appuyant sur leur place dans le tableau, explique pourquoi l’un est un métal et l’autre un non-métal.
c)Quand un courant électrique parcourt un câble en aluminium, quelles particules se déplacent ? Que font les noyaux des atomes ?
d)Chauffés ensemble, l’aluminium et le soufre forment un solide ionique, le sulfure d’aluminium. Prévois les deux ions qui le forment, puis sa formule. Justifie par un calcul de charges.

Exercice 3 – Enquête : le flacon orangé

(4 pts)

Dans la réserve du laboratoire, un flacon a perdu son étiquette. Il contient l’une de ces trois solutions : chlorure de fer (II), chlorure de fer (III) ou sulfate de fer (III). La solution du flacon est orangée. On dispose de la banque de tests du cours.

a)Quelle solution peut-on écarter sans faire de test ? Justifie.
b)Quel test confirme la présence d’ions fer (III) ? Qu’observe-t-on ? Ce test permet-il de choisir entre les deux solutions restantes ? Cite une précaution pour utiliser ce réactif.
c)Avec le nitrate d’argent, rien ne se passe. Conclus, puis écris la solution contenue dans le flacon en justifiant les nombres d’ions.
d)Le fer a pour numéro atomique Z = 26 et se place dans la période 4, qui commence au potassium (Z = 19). Dans quelle colonne ? Pourquoi le nom des ions du fer porte-t-il un chiffre romain, alors que celui de l’ion aluminium n’en a pas ?

Exercice 4 – L’ion mystère

(4 pts)

Un ion monoatomique possède 36 électrons. Son noyau contient 88 nucléons et porte une charge de 6,08 × 10⁻¹⁸ C. Données : e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; numéros atomiques : brome 35, krypton 36, rubidium 37, strontium 38, yttrium 39.

a)Calcule le nombre de protons du noyau. De quel élément s’agit-il ? Combien le noyau contient-il de neutrons ?
b)Combien d’électrons l’atome a-t-il perdus ou gagnés pour former cet ion ? Écris la formule de l’ion et dis si c’est un cation ou un anion.
c)La période 5 commence au rubidium, en colonne 1. Situe l’élément trouvé, nomme sa famille et vérifie que sa colonne prévoit bien l’ion trouvé.
d)Calcule la charge totale de l’ion, en coulombs, de deux façons : à partir de sa formule, puis à partir des charges du noyau et des électrons.

Exercice 5 – Qui a raison ?

(4 pts)

Pour chaque discussion, dis qui a raison et justifie.

a)Hugo : « L’élément situé juste sous le magnésium (Z = 12) a pour numéro atomique 13. » Nora : « Non, il a pour numéro atomique 20. »
b)Sami : « Puisque l’atome est surtout fait de vide, sa masse est surtout celle de ses électrons, qui occupent tout l’espace. » Jade : « Non, presque toute la masse est dans le noyau. »
c)Lou : « Le chlore (Z = 17) et le brome (Z = 35) ont des propriétés chimiques voisines. » Max : « Impossible : ils n’ont pas du tout le même nombre de protons. »
d)Emma : « Une solution de chlorure de cuivre (II) contient autant d’ions cuivre que d’ions chlorure, comme une solution de sulfate de cuivre (II). » Yanis : « Non, elle contient deux fois plus d’ions chlorure. »

Bon courage !

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Corrigé et barème – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Exercice 1 – Le fluor du dentifrice

(4 pts)

a)Colonne 17 : l’atome de fluor gagne 1 électron, F⁻ ; colonne 1 : l’atome de sodium perd 1 électron, Na⁺ (0,5 pt). Une charge + pour une charge − : (Na⁺ + F⁻). (0,5 pt) (1)
b)Protons : Z = 9, comme l’atome ; neutrons : 19 − 9 = 10 (0,5 pt). Électrons : anion de charge 1−, 9 + 1 = 10. (0,5 pt) (1)
c)Masse ≈ celle des 19 nucléons : 19 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 31,73 × 10⁻²⁷ ≈ 3,17 × 10⁻²⁶ kg (0,5 pt). L’électron gagné pèse 9,1 × 10⁻³¹ kg, soit 9,1 × 10⁻³¹ ÷ (3,17 × 10⁻²⁶) ≈ 3 × 10⁻⁵ de cette masse (0,003 %) : on peut le négliger. (0,5 pt) (1)
d)1,45 mg = 1,45 × 10⁻⁶ kg (0,5 pt). 1,45 × 10⁻⁶ ÷ (3,17 × 10⁻²⁶) ≈ 0,457 × 10²⁰ ≈ 4,6 × 10¹⁹ ions fluorure. (0,5 pt) (1)

Méthode — un ion a presque la même masse que son atome : quelques électrons en plus ou en moins ne pèsent rien face aux nucléons, mais ils changent toute la charge.

Exercice 2 – Métal ou non-métal : qui conduit ?

(4 pts)

a)Les deux ont Z entre 11 et 18 : période 3 (0,5 pt). Na (11) colonne 1, Mg (12) colonne 2, puis Al (13) en colonne 13 ; Si (14) colonne 14, P (15) colonne 15, S (16) en colonne 16. (0,5 pt) (1)
b)L’aluminium (Z = 13) est juste à gauche du silicium, un métalloïde de la ligne en escalier : il est du côté des métaux, c’est un métal, brillant et bon conducteur (0,5 pt). Le soufre (Z = 16) est à droite de l’escalier, en haut à droite du tableau : c’est un non-métal, qui conduit mal. (0,5 pt) (1)
c)Des électrons libres, qui passent d’un atome à l’autre et se déplacent tous ensemble le long du câble (0,5 pt). Les noyaux restent en place. (0,5 pt) (1)
d)Colonne 13 : Al³⁺ ; colonne 16 : S²⁻ (0,5 pt). Il faut autant de charges + que de charges − : 2 × (+3) = +6 et 3 × (−2) = −6, d’où Al₂S₃, le cation d’abord. (0,5 pt) (1)

Astuce — pour la formule d’un solide ionique, je cherche le plus petit nombre que les deux charges divisent (ici 6) : il donne le nombre d’ions de chaque sorte.

Exercice 3 – Enquête : le flacon orangé

(4 pts)

a)Les solutions d’ions fer (II) sont vert pâle : on écarte le chlorure de fer (II) (0,5 pt). Les deux autres contiennent des ions fer (III), qui donnent une solution orangée. (0,5 pt) (1)
b)On verse quelques gouttes de soude : un précipité rouille apparaît (0,5 pt). Les deux solutions restantes contiennent des ions Fe³⁺ : ce test ne les distingue pas. Soude corrosive : blouse, lunettes et gants. (0,5 pt) (1)
c)Pas de précipité : pas d’ions chlorure, c’est le sulfate de fer (III) (0,5 pt). Il faut 6 charges de chaque signe : 2 × (+3) = +6 et 3 × (−2) = −6, la solution s’écrit (2 Fe³⁺ + 3 SO₄²⁻). (0,5 pt) (1)
d)Dans la période 4, les 18 colonnes sont occupées : 26 − 18 = 8, le fer est le 8e élément de la ligne, en colonne 8 (0,5 pt). C’est un métal du centre : il forme deux ions, Fe²⁺ et Fe³⁺, et le chiffre romain précise la charge ; l’aluminium (colonne 13) ne forme qu’un ion. (0,5 pt) (1)

Piège — un test positif peut convenir à plusieurs solutions : il faut combiner la couleur de la solution, le test à la soude et celui au nitrate d’argent avant de conclure.

Exercice 4 – L’ion mystère

(4 pts)

a)6,08 × 10⁻¹⁸ ÷ (1,6 × 10⁻¹⁹) = 3,8 × 10¹ = 38 protons : Z = 38, c’est le strontium (0,5 pt). Neutrons : 88 − 38 = 50. (0,5 pt) (1)
b)L’atome neutre a 38 électrons, l’ion 36 : il en a perdu 2 (0,5 pt). Ion Sr²⁺, de charge positive : un cation. (0,5 pt) (1)
c)Z = 38 suit le rubidium (37) : période 5, colonne 2, la famille des alcalino-terreux (0,5 pt). Un élément de la colonne 2 perd 2 électrons et forme un ion X²⁺ : c’est bien l’ion trouvé. (0,5 pt) (1)
d)Formule : charge 2+, soit 2 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 3,2 × 10⁻¹⁹ C (0,5 pt). Noyau + électrons : 6,08 × 10⁻¹⁸ − 36 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 6,08 × 10⁻¹⁸ − 5,76 × 10⁻¹⁸ = 0,32 × 10⁻¹⁸ = 3,2 × 10⁻¹⁹ C : les deux calculs concordent. (0,5 pt) (1)

Méthode — pour identifier un ion, je cherche d’abord ses protons (ils donnent l’élément), puis je compare ses électrons à ceux de l’atome neutre pour trouver la charge.

Exercice 5 – Qui a raison ?

(4 pts)

a)Nora (0,5 pt). L’élément 13 est le voisin de droite, pas celui du dessous. La période 3 compte 8 éléments, du sodium (11) à l’argon (18) ; sous le magnésium, dans la colonne 2 de la période 4, on trouve 12 + 8 = 20, le calcium. (0,5 pt) (1)
b)Jade (0,5 pt). Un électron est environ 1 800 fois plus léger qu’un nucléon : presque toute la masse est dans le noyau, minuscule mais formé des nucléons. Les électrons occupent l’espace mais pèsent très peu. (0,5 pt) (1)
c)Lou (0,5 pt). Le chlore et le brome sont dans la même colonne, la 17 (halogènes) : ils forment par exemple des ions de même charge (Cl⁻ et Br⁻) et des composés de même formule (NaCl, NaBr). C’est la colonne qui fait la famille, pas l’égalité des Z. (0,5 pt) (1)
d)Yanis (0,5 pt). Cu²⁺ porte 2 charges + et Cl⁻ une seule charge − : (Cu²⁺ + 2 Cl⁻). Dans le sulfate de cuivre (II), SO₄²⁻ porte 2 charges − : un pour un, (Cu²⁺ + SO₄²⁻). (0,5 pt) (1)

Erreur fréquente — conclure trop vite : « dessous » n’est pas « à côté », « vide » n’est pas « sans masse », et une solution neutre n’a pas forcément autant d’anions que de cations.

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Niveau ★★★ pour aller plus loin · Durée 55 min · Noté sur 20

55:00

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Devoir surveillé – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★★★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Nom : Date : Note : / 20

Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.

Exercice 1 – Problème — La particule alpha, un ion d’hélium

(6 pts)

Dans l’expérience de la feuille d’or, les particules alpha sont des noyaux d’hélium : 2 protons et 2 neutrons, sans aucun électron. Données : hélium He, Z = 2, colonne 18 ; or Au, Z = 79, 197 nucléons ; aluminium Al, Z = 13, 27 nucléons ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C ; masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; masse d’un électron 9,1 × 10⁻³¹ kg.

a)Une particule alpha est-elle un atome ? Montre qu’on peut la décrire comme un ion : écris sa formule, calcule sa charge en coulombs et dis combien d’électrons il faudrait lui ajouter pour obtenir un atome.
b)Calcule la masse d’une particule alpha et montre qu’elle est environ 7 300 fois plus lourde qu’un électron. Pourquoi les électrons des atomes d’or ne peuvent-ils pas la renvoyer en arrière ?
c)Calcule combien de fois la charge d’un noyau d’or est plus grande que celle d’une particule alpha, puis combien de fois sa masse est plus grande. Explique pourquoi une particule alpha qui arrive droit sur un noyau d’or rebondit, alors que le noyau ne bouge presque pas.
d)Un élève prévoit : « Avec une feuille d’aluminium, plus légère, les particules alpha rebondiraient encore plus souvent. » Discute sa prévision en comparant les noyaux d’aluminium et d’or.

Exercice 2 – Enquête : le flacon incolore

(4 pts)

Un flacon contient une seule de ces cinq solutions : chlorure de zinc, nitrate de zinc, sulfate de zinc, chlorure d’aluminium, nitrate d’aluminium. La solution est incolore. Avec quelques gouttes de soude, il se forme un précipité blanc ; avec le nitrate d’argent, rien ne se passe. Une analyse indique enfin que la solution contient autant d’ions positifs que d’ions négatifs.

a)Décris comment réaliser le test à la soude, avec les précautions. Pourquoi ne verse-t-on que quelques gouttes de soude ? Qu’apprend-on du précipité blanc ?
b)Que permet de conclure le test au nitrate d’argent ? Quelles solutions restent possibles ?
c)Écris chacune des solutions restantes avec ses ions et leurs proportions. Utilise l’analyse pour identifier le contenu du flacon.
d)Un élève écrit : « Le zinc est dans la colonne 12, juste avant la colonne 13 ; d’après la règle des colonnes, il perd 2 électrons et forme Zn²⁺. » Son ion est juste. Son raisonnement l’est-il ? Justifie.

Exercice 3 – Corriger une copie

(4 pts)

Exercice donné : « Le chrome (Cr, Z = 24) a un atome courant de 52 nucléons ; il forme notamment l’ion Cr³⁺. Calcule la masse d’un atome, décris l’ion, situe le chrome et écris la solution de sulfate de chrome (III). » (masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg ; e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C). Voici quatre lignes de la copie de Malo. Pour chacune, dis si elle est juste ; si elle est fausse, explique l’erreur et corrige-la.

a)« Masse d’un atome : 52 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 86,84 × 10⁻²⁷ = 8,684 × 10⁻²⁸ kg. »
b)« L’ion Cr³⁺ a perdu 3 électrons : il lui en reste 21, et son noyau porte maintenant une charge de +3 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 4,8 × 10⁻¹⁹ C. »
c)« Z = 24 est entre 19 et 36 : période 4. C’est le 24 − 18 = 6e élément de la ligne, donc il est en colonne 6. »
d)« Sulfate de chrome (III) : (3 Cr³⁺ + 2 SO₄²⁻), car il y a 3 charges sur chaque ion chrome et 2 sur chaque ion sulfate. »

Exercice 4 – Problème — Le sel de régime

(6 pts)

Pour manger moins de sodium, certains remplacent le sel de cuisine, le chlorure de sodium NaCl, par un « sel de régime » à base de chlorure de potassium (on le considère ici comme du chlorure de potassium pur). Données : sodium Na, Z = 11, colonne 1, atome de 23 nucléons ; chlore Cl, Z = 17, colonne 17, atome le plus courant de 35 nucléons ; potassium K : son ion K⁺ possède 18 électrons et son atome le plus courant a 39 nucléons ; la période 3 se termine à l’argon (Z = 18) ; masse d’un nucléon 1,67 × 10⁻²⁷ kg. On néglige la masse des électrons.

a)Trouve le numéro atomique du potassium et sa place dans le tableau. Justifie la formule du chlorure de potassium de deux façons : par la famille du potassium, puis par un calcul de charges.
b)Avec la banque de tests du cours, peut-on distinguer une solution de sel de régime d’une solution de sel de cuisine ? Justifie pour chaque réactif.
c)Calcule le nombre d’ions sodium contenus dans 1 g de sel de cuisine (deux chiffres significatifs). Combien d’ions chlorure contient-il ?
d)Montre qu’1 g de sel de régime contient moins d’ions chlorure qu’1 g de sel de cuisine, puis calcule la masse de sel de régime qui en contient autant (arrondie au centième de gramme).

Bon courage !

Voir le corrigé et le barème

benprofparticulier.frChimie · 3ᵉ

Corrigé et barème – de l’atome aux ions : noyau, tableau périodique et tests d’identification — niveau ★★★

Durée : 55 min – Calculatrice autorisée – Sur 20 points · Chimie 3ᵉ

Exercice 1 – Problème — La particule alpha, un ion d’hélium

(6 pts)

a)Non : elle a 2 protons et aucun électron, elle n’est pas neutre (0,5 pt). C’est un atome d’hélium (Z = 2) qui aurait perdu ses 2 électrons (aucune réaction chimique ne le forme : l’hélium, gaz noble, ne forme pas d’ion dans les réactions) : l’ion He²⁺, un cation, de charge 2 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 3,2 × 10⁻¹⁹ C (0,5 pt). En lui ajoutant 2 électrons, on obtient un atome d’hélium neutre. (0,5 pt) (1,5)
b)4 nucléons : 4 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 6,68 × 10⁻²⁷ kg (0,5 pt). 6,68 × 10⁻²⁷ ÷ (9,1 × 10⁻³¹) ≈ 0,734 × 10⁴ ≈ 7 300 (0,5 pt). Les électrons sont des milliers de fois plus légers que la particule : comme des billes contre un boulet, ils ne peuvent presque pas la dévier. (0,5 pt) (1,5)
c)Charges : 79 ÷ 2 = 39,5 fois plus grande ; masses : 197 ÷ 4 = 49,25 fois plus grande (0,5 pt). Le noyau et la particule sont tous deux positifs : ils se repoussent, et d’autant plus fort que le noyau porte beaucoup de charges (0,5 pt). Le noyau, environ 50 fois plus lourd, recule à peine, et la particule repart en arrière. (0,5 pt) (1,5)
d)La prévision est fausse (0,5 pt). Le noyau d’aluminium ne porte que 13 charges + (contre 79) : il repousse beaucoup moins fort ; il n’est que 27 ÷ 4 = 6,75 fois plus lourd que la particule alpha (contre 49,25) : il recule davantage (0,5 pt). On attend donc moins de rebonds ; c’est ce qu’ont observé Geiger et Marsden en 1909 en comparant plusieurs métaux : l’aluminium renvoyait environ 20 fois moins de particules que l’or. (0,5 pt) (1,5)

Méthode — pour interpréter un choc entre particules, je compare deux choses : les charges (elles disent si les particules se repoussent, et avec quelle force) et les masses (elles disent laquelle recule).

Exercice 2 – Enquête : le flacon incolore

(4 pts)

a)Dans un tube à essais, un peu de solution, puis quelques gouttes de soude ; blouse, lunettes et gants, car la soude est corrosive (0,5 pt). En excès, les précipités blancs du zinc et de l’aluminium se redissolvent : on pourrait conclure à tort à l’absence d’ion. Le précipité blanc révèle des ions Zn²⁺ ou Al³⁺, sans pouvoir trancher. (0,5 pt) (1)
b)Pas de précipité : la solution ne contient pas d’ions chlorure (0,5 pt). Restent le nitrate de zinc, le sulfate de zinc et le nitrate d’aluminium. (0,5 pt) (1)
c)(Zn²⁺ + 2 NO₃⁻) ; (Zn²⁺ + SO₄²⁻) ; (Al³⁺ + 3 NO₃⁻) (0,5 pt). Seule la deuxième compte autant d’ions positifs que d’ions négatifs : c’est le sulfate de zinc. (0,5 pt) (1)
d)Non (0,5 pt). La règle des colonnes ne vaut que pour les colonnes 1, 2, 13, 16 et 17. Le zinc est un métal du centre (colonnes 3 à 12) : son ion, Zn²⁺, s’apprend ; la preuve que la règle ne marche pas au centre : le fer forme deux ions, Fe²⁺ et Fe³⁺. (0,5 pt) (1)

Piège — une solution électriquement neutre n’a pas forcément autant d’ions positifs que d’ions négatifs : c’est l’égalité des charges qui compte, et le rapport entre les nombres d’ions dépend des charges.

Exercice 3 – Corriger une copie

(4 pts)

a)Fausse (0,5 pt). 86,84 = 8,684 × 10 : quand la virgule recule d’un rang, l’exposant augmente de 1. Masse : 8,684 × 10⁻²⁶ kg. (0,5 pt) (1)
b)Fausse (0,5 pt). Les 21 électrons sont justes (24 − 3), mais le noyau ne change pas : il garde 24 protons, soit 24 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 3,84 × 10⁻¹⁸ C. C’est l’ion entier (noyau + 21 électrons) qui porte +3 × 1,6 × 10⁻¹⁹ = 4,8 × 10⁻¹⁹ C. (0,5 pt) (1)
c)Juste (0,5 pt) : dans la période 4, les 18 colonnes sont occupées dans l’ordre, du potassium (Z = 19, colonne 1) au krypton (Z = 36, colonne 18). (0,5 pt) (1)
d)Fausse (0,5 pt). Avec son écriture : 3 × (+3) = +9 et 2 × (−2) = −4, la solution ne serait pas neutre ; il a inversé les nombres. Il faut 6 charges de chaque signe : (2 Cr³⁺ + 3 SO₄²⁻). (0,5 pt) (1)

Astuce — pour écrire une solution, on croise les charges : la charge de l’anion donne le nombre de cations, celle du cation le nombre d’anions (puis on simplifie) ; et l’on vérifie toujours que le total des charges est nul.

Exercice 4 – Problème — Le sel de régime

(6 pts)

a)K⁺ est un cation de charge 1+ : l’atome avait 18 + 1 = 19 électrons, donc Z = 19 ; l’argon (18) termine la période 3, le potassium commence la période 4, en colonne 1 (0,5 pt). Même colonne que le sodium (alcalins) : même comportement, même formule que NaCl, soit KCl (0,5 pt). Ions K⁺ (colonne 1) et Cl⁻ (colonne 17) : +1 − 1 = 0, un ion de chaque. (0,5 pt) (1,5)
b)Non (0,5 pt). Soude : ni les ions sodium ni les ions potassium ne donnent de précipité, les deux solutions restent limpides (0,5 pt). Nitrate d’argent : les deux contiennent des ions chlorure, les deux donnent le même précipité blanc qui noircit à la lumière. (0,5 pt) (1,5)
c)Un ion sodium et un ion chlorure : 23 + 35 = 58 nucléons, soit 58 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 9,686 × 10⁻²⁶ kg (0,5 pt). 1 g = 10⁻³ kg : 10⁻³ ÷ (9,686 × 10⁻²⁶) ≈ 1,0 × 10²² ions sodium (0,5 pt), et autant d’ions chlorure, un pour un d’après la formule NaCl. (0,5 pt) (1,5)
d)Un ion potassium (39 nucléons) est plus lourd qu’un ion sodium (23) : un ion K⁺ et un ion Cl⁻ pèsent 74 × 1,67 × 10⁻²⁷ = 1,2358 × 10⁻²⁵ kg, donc 1 g de KCl ne contient que 10⁻³ ÷ (1,2358 × 10⁻²⁵) ≈ 8,1 × 10²¹ ions chlorure, moins que 1,0 × 10²² (0,5 pt). Pour en avoir autant que dans 1 g de sel, il faut autant de paires K⁺ et Cl⁻ que de paires Na⁺ et Cl⁻ : la masse est 74 ÷ 58 fois plus grande (0,5 pt), soit 1 × 74 ÷ 58 ≈ 1,28 g de sel de régime. (0,5 pt) (1,5)

Erreur fréquente — croire que deux échantillons de même masse contiennent le même nombre d’ions : le nombre d’ions dépend de la masse de chaque ion, donc des nucléons de chaque atome.

Les chapitres de ce devoir 3 chapitres

Avant le devoir : relis le cours, refais les exercices et le devoir surveillé de chaque chapitre.

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