Structure de l'atome

Exercice 1 — Vocabulaire et structure atomique
1. Définition d'un atome (1 pt)
Un atome est la plus petite entité chimique caractéristique d'un élément chimique. Il est constitué d'un noyau central (chargé positivement) entouré d'électrons (chargés négativement) qui gravitent sur des couches électroniques.

2. Les deux particules du noyau (1 pt)
Le noyau est constitué de :

• Les protons : charge électrique positive (+e), avec e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
• Les neutrons : charge électrique nulle (particule neutre).

Ces deux particules sont appelées nucléons.

3. Tableau pour ²⁶₁₂Mg (2 pts)

• Numéro atomique : Z = 12 (chiffre en bas à gauche)
• Nombre de masse : A = 26 (chiffre en haut à gauche)
• Nombre de neutrons : N = A − Z = 26 − 12 = 14
• Nombre d'électrons (atome neutre) : 12 (égal à Z, car l'atome est électriquement neutre)

Exercice 2 — Configuration électronique
1. Règle de remplissage des couches (1,5 pt)
Les électrons se répartissent sur des couches électroniques K, L, M, dans cet ordre, en respectant les capacités maximales suivantes :

• Couche K (1^re couche) : 2 électrons maximum
• Couche L (2^e couche) : 8 électrons maximum
• Couche M (3^e couche) : 8 électrons maximum (en 3e)

On remplit toujours la couche K en premier, puis L, puis M. Une couche doit être saturée avant de passer à la suivante.

2. Configuration du soufre S (Z = 16) (2 pts)
S possède 16 électrons (atome neutre, donc nombre d'électrons = Z = 16).

• Couche K : 2 électrons (saturée)
• Couche L : 8 électrons (saturée)
• Couche M : 16 − 2 − 8 = 6 électrons

Configuration : K(2)L(8)M(6)
La couche de valence (couche externe) est M, elle contient 6 électrons de valence.

3. Configuration de l'argon Ar (Z = 18) (2,5 pts)
Ar possède 18 électrons.

• Couche K : 2 électrons
• Couche L : 8 électrons
• Couche M : 18 − 2 − 8 = 8 électrons

Configuration : K(2)L(8)M(8)
Remarque : les trois couches K, L et M sont toutes complètes (saturées).
L'argon est un gaz noble car sa couche externe (M) est saturée à 8 électrons. Cette configuration est particulièrement stable, ce qui explique que l'argon ne réagit chimiquement avec presque aucune substance.

Exercice 3 — Ions
1. Définitions cation / anion (1 pt)

• Un cation est un ion à charge positive : il est formé lorsqu'un atome perd un ou plusieurs électrons (moins d'électrons que de protons).
• Un anion est un ion à charge négative : il est formé lorsqu'un atome gagne un ou plusieurs électrons (plus d'électrons que de protons).

2. Ion calcium Ca (Z = 20), perte de 2 électrons (1,5 pt)
Le calcium perd 2 électrons → il devient un cation.
Formule de l'ion : Ca²⁺
Nombre d'électrons de l'ion : 20 − 2 = 18 électrons

3. Ion fluorure (Z = 9), gain de 1 électron (2,5 pts)
Le fluor gagne 1 électron → il devient un anion.
Formule de l'ion fluorure : F⁻
Nombre d'électrons : 9 + 1 = 10 électrons.
Configuration électronique de F⁻ : K(2)L(8)
C'est la configuration du néon Ne (Z = 10) : les couches K et L sont toutes deux saturées. L'ion fluorure est stable car il adopte la configuration du gaz noble le plus proche.

Exercice 4 — Isotopes
1. Définition d'un isotope (1 pt)
Des isotopes sont des atomes d'un même élément chimique qui ont le même numéro atomique Z (même nombre de protons) mais des nombres de masse A différents (donc des nombres de neutrons N différents).

2. Bore : ¹⁰₅B et ¹¹₅B (2 pts)

• Isotope ¹⁰₅B : N = A − Z = 10 − 5 = 5 neutrons
• Isotope ¹¹₅B : N = A − Z = 11 − 5 = 6 neutrons

Ces deux isotopes ont-ils les mêmes propriétés chimiques ?
Oui, leurs propriétés chimiques sont identiques. En effet, les propriétés chimiques d'un atome dépendent de son nombre d'électrons (et donc de son numéro atomique Z). Les deux isotopes du bore ont le même Z = 5, donc le même nombre d'électrons (5) et la même configuration électronique K(2)L(3). Seul le nombre de neutrons diffère, ce qui influence la masse mais pas le comportement chimique.

Exercice 5 — Problème de synthèse
Détermination de l'atome X à partir de l'ion X³⁺ (2 pts)
L'ion X³⁺ a perdu 3 électrons par rapport à l'atome X neutre.
L'ion X³⁺ possède 10 électrons.
Donc l'atome X neutre possédait : 10 + 3 = 13 électrons.
Or, dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au numéro atomique Z.
Ainsi : Z = 13.

D'après les données de l'énoncé, Z = 13 correspond à l'aluminium (Al).

Vérification : Al a la configuration K(2)L(8)M(3). En perdant 3 électrons (ceux de la couche M), l'ion Al³⁺ obtient la configuration K(2)L(8), identique à celle du néon — configuration stable de gaz noble.