L`atome

CHIMIE
CHAPITRE
L’atome
4
La nébuleuse du Papillon
dans la constellation
du Scorpion.
Les nébuleuses, issues
d’étoiles en fin de vie,
jouent un rôle crucial dans
l’enrichissement de l’Univers
en éléments plus lourds que
l’hydrogène.
La plupart des atomes
qui composent la Terre
et ses habitants ont été
produits à l’intérieur d’étoiles.
Comment les étoiles
fabriquent-elles les atomes ?
Quelle est la structure d’un atome ?
OBJECTIFS
Connaître la structure d’un atome et celle de son noyau.
Définir un ion monoatomique.
Définir un élément chimique.
57
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Activités
Animation dans le
manuel numérique
enrichi
2 L’expérience décisive de RUTHERFORD
@R
JBKQP
Antiquité
z
Dès 400 ans av. J.-C., le philosophe grec DÉMOCRITE (460-370 av. J.-C.) (doc. 1)
a l’intuition que la matière est constituée de petits « grains » indivisibles qu’il appelle
atomes (du grec a-tomos littéralement in-sécable). Il imagine les atomes éternels,
pleins et immuables. Selon lui, ils ont une infinité de formes qui permettent d’expliquer, par leur assemblage, la diversité des matières qui nous entourent.
z En 1805, l’Anglais John DALTON (1766-1844) (doc. 3) reprend
l’hypothèse atomique de DÉMOCRITE. Selon lui, l’atome est une
sphère pleine de matière. Son modèle permet d’expliquer
les réactions chimiques par assemblage ou séparation des
atomes selon des proportions simples.
AL@
JBKQP
A Contexte historique
Le philosophe grec ARISTOTE (384-322 av. J.-C.) (doc. 2) conteste l’existence des
atomes. Pour lui, la matière est constituée de quatre « éléments » : le feu, l’air, la terre
et l’eau. Son prestige est tel que l’intuition de DÉMOCRITE est abandonnée.
JBKQP
Animation dans le
manuel numérique
enrichi
L’expérience de RUTHERFORD a été décisive pour comprendre la structure de l’atome.
Quelle était cette expérience ?
Le modèle de l’atome a évolué au fil du temps.
Quelles ont été les grandes étapes de cette évolution ?
z
@R
AL
AL@
AL
JBKQP
AL
1 L’atome, des philosophes grecs
aux scientifiques du XXe siècle
@R
@R
AL
Activités
À la fin du XIXe siècle, le physicien français Henri
BECQUEREL découvre la radioactivité. Au même moment,
Ernest RUTHERFORD étudie les rayonnements issus de
matières radioactives. Il s’intéresse, en particulier, aux
particules α qui sont des noyaux d’hélium.
doc. 1 DÉMOCRITE.
B Description de l’expérience
L’idée est de déterminer la structure de l’atome en étudiant la trajectoire des particules α lorsqu’elles rencontrent une feuille métallique. Une feuille d’or de quelques
micromètres d’épaisseur est placée dans une enceinte
vide. Elle est bombardée par des particules α (doc. 6).
Par ailleurs, quelques points fluorescents apparaissent
aussi autour de cette tache centrale.
3. Quelle information supplémentaire peut-on en
déduire ?
Enfin, quelques rares taches fluorescentes sont visibles
sur l’écran E1 placé du côté de la source.
4. Comment interpréter l’existence de ces taches ?
D Conclusions de RUTHERFORD
doc. 2 ARISTOTE.
eOHFWURQ
6SKqUH
FKDUJpH
SRVLWLYHPHQW
z En 1897, le physicien anglais John Joseph THOMSON (18561940) (doc. 4) découvre l’un des composants de l’atome :
l’électron, particule chargée négativement. En 1904, il propose un modèle dans lequel l’atome est constitué d’une sphère
chargée positivement parsemée d’électrons en mouvement.
L’ensemble est électriquement neutre.
doc. 3 John DALTON.
-
-
-
+
-
-
+
-
1R\DX
eOHFWURQ
-
En 1911, le physicien anglais Ernest RUTHERFORD (18711937) propose un modèle précisant la répartition des charges
positives et négatives dans l’atome. L’atome est constitué d’un
noyau chargé positivement autour duquel les électrons sont en
mouvement (doc. 5 et activité 2).
z
De nos jours, le modèle d’atome utilisé par les physiciens fait intervenir la physique quantique. Cette théorie établit que les électrons n’ont pas d’orbite définie, mais
une « probabilité de présence » autour du noyau au sein d’un « nuage électronique ».
Ce modèle n’autorise plus la schématisation de l’atome.
doc. 7 Représentation schématique de la trajectoire
doc. 6 Schéma du dispositif expérimental.
z
Deux écrans fluorescents sont placés, l’un avant la
feuille d’or (écran E1) et l’autre après (écran E2). Un
point lumineux se forme sur les écrans chaque fois
qu’ils sont percutés par une particule α.
doc. 4 John Joseph
THOMSON.
On suppose, tout d’abord, comme DALTON et THOMSON,
que les atomes sont des sphères pleines, rangées les
unes contre les autres.
1. Que devrait-il se passer pour les particules α ?
C Observations
1. Que signifient les termes « insécable » et « immuable » ?
2. Quelle découverte montre que l’atome n’est pas insécable ?
3. Quelle différence existe-t-il entre le modèle de THOMSON et celui de RUTHERFORD ?
4. @ Rechercher les noms de quelques physiciens du XXe siècle ayant contribué au
développement de la physique quantique.
Une tache fluorescente très intense apparaît au centre
de l’écran E2. L’intensité lumineuse de cette tache est
très légèrement inférieure à celle que l’on obtient en
enlevant la feuille d’or.
doc. 5 Ernest
RUTHERFORD.
2. Que peut-on déduire de ces observations ?
RUTHERFORD propose alors le modèle d’atome suivant :
– l’atome est essentiellement constitué de vide ;
– l’atome est constitué d’un noyau central chargé positivement autour duquel des électrons chargés négativement sont en mouvement.
5. Quelle observation a amené RUTHERFORD à conclure
que la matière est essentiellement constituée de
vide ?
6. Comparer qualitativement la taille du noyau à celle
de l’atome.
7. D’après le document 7, les particules α qui passent
près d’un noyau sont-elles attirées ou repoussées
par celui-ci ?
8. Sachant que les particules α sont chargées positivement, que peut-on en conclure sur la charge du
noyau ?
4 L’atome 59
58
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de quelques particules α à travers la feuille d’or.
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Activités
Cours
1 Quelle est la structure d’un atome ?
3 Réactions chimiques avec l’élément cuivre
VOCABULAIRE
1.1 Constitution d’un atome
Les éléments chimiques se conservent au cours d’une réaction chimique.
Comment le mettre en évidence avec l’élément cuivre ?
z
Observer les étiquettes des solutions d’acide nitrique
et d’hydroxyde de sodium utilisées pour ce TP.
1. Qu’indiquent les pictogrammes présents sur les
étiquettes (voir fiche n° 9 page 313) ?
2. Rechercher la signification des codes associés à
chacune des solutions.
3. Quelles précautions faut-il prendre pour manipuler de telles solutions ?
L’état physique des espèces chimiques est précisé entre
parenthèses :
(s) : espèce solide ; (aq) : espèce en solution aqueuse ;
(ᐍ) : espèce liquide ; (g) : espèce gazeuse.
En 1911, Ernest RUTHERFORD (activités 1 et 2) propose le modèle d’atome
suivant (doc. 1) :
5. a. Faire le schéma de l’expérience et noter les
observations.
b. Compléter le schéma de la réaction :
Action
de la soude
..........
Hydroxyde
de cuivre (II)
Cu(OH)2(s)
Un atome est électriquement neutre. Il est constitué d’un noyau central
chargé positivement et d’électrons chargés négativement, en mouvement autour du noyau.
z Ajouter, dans le tube à essais précédent, environ 2 mL
d’une solution diluée d’acide sulfurique et observer.
Deux nombres entiers Z et A suffisent à caractériser un noyau :
Z est le nombre de protons, Z est appelé numéro atomique ;
A est le nombre de nucléons (protons + neutrons).
(A – Z) est le nombre de neutrons.
D
ON
S T I G AT I
..........
VE
Action
de l’acide nitrique
7. Proposer un protocole expérimental pour observer
l’action du métal fer sur les ions cuivre (II) en s’aidant
de schémas légendés.
Mettre en œuvre ce protocole après en avoir discuté
avec le professeur.
z Dans un tube à essais, verser environ 0,5 mL de la
solution obtenue à la question 1.
Pour commencer, exercice 3, p. 67
Les masses du proton mp et du neutron mn sont voisines (doc. 3). Il est
ainsi possible de considérer que :
doc. 2 Représentation schématique
du noyau d’un atome.
Neutron
Électron
Charge (C)
1,602 × 10
−19
Masse (kg)
1,672 6 × 10−27
1,674 9 × 10−27
0
−19
− 1,602 × 10
9,109 3 × 10−31
doc. 3 Charges et masses du proton,
du neutron et de l’électron.
Action
de l’acide nitrique
...................
Les électrons constituent le cortège électronique de l’atome.
Un électron porte une charge électrique négative égale à – e, opposée
à la charge du proton.
La charge du noyau est égale à Z × e. La neutralité électrique d’un atome
impose une charge globale des électrons (– Z × e) opposée à celle du
noyau. Il y a donc Z électrons dans le cortège électronique d’un atome.
..........
...................
Un atome contient autant de protons que d’électrons.
..........
...................
La masse d’un électron est environ 2 000 fois plus petite que celle d’un
nucléon (doc. 3).
Pour commencer, exercices 4 et 5, p. 67
..........
doc. 4 « Les piliers de la création », nuage
de gaz et de poussières dans la nébuleuse
de l’Aigle situé à 7 000 années-lumière
du Soleil.
4 L’atome 61
60
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1HXWURQ
3URWRQ
Proton
z
À ce prélèvement, ajouter goutte à goutte une solution concentrée de soude (ou solution d’hydroxyde de
sodium) et observer.
doc. 1 Représentation schématique
du modèle d’atome de Rutherford.
1.3 Les électrons
E Conclusion
..........
- eOHFWURQ
1R\DX
Dans l’Univers (doc. 4), on a pu identifier environ 300 noyaux différents.
9. Compléter le schéma ci-dessous regroupant les
différentes réactions chimiques réalisées.
B Action de la soude
sur l’ion cuivre (II) Cu2+(aq)
+
Particule
Q = Z × e.
mp ≈ mn = mnucléon = 1,67 × 10–27 kg.
8. a. Noter les observations.
b. Établir le schéma de la réaction réalisée.
-
-
Elle s’exprime en coulomb (symbole C) et a pour valeur :
Les neutrons ne portent pas de charge électrique.
Ainsi, la charge positive du noyau, notée Q, est égale à la charge des Z
protons qui le constituent :
z
-
Les protons sont les porteurs de charge du noyau (doc. 3). La charge d’un
proton, notée e, est appelée charge élémentaire.
MARCHE
D'IN
4. a. Faire le schéma de
l’expérience et noter les
observations.
b. À quel ion peut-on attridoc. 8 Action de l’acide
buer la couleur prise par la
nitrique sur le métal cuivre.
solution ?
c. Compléter le schéma de la réaction :
É
+
Pour commencer, exercices 1 et 2, p. 67
e = 1,60 × 10–19 C.
z Ajouter environ 2 mL d’une
solution concentrée d’acide
nitrique et observer (doc. 8).
Métal cuivre
Cu(s)
-
Le noyau d’un atome est constitué de protons et de neutrons, appelés
nucléons (doc. 2).
C Action de l’acide sulfurique sur
l’hydroxyde de cuivre (II) Cu(OH)2(s)
D Action du métal fer
sur l’ion cuivre (II) Cu2+(aq)
-
-
z
Sous la hotte, placer un petit
morceau de tournure de cuivre
dans un tube à essais.
-
-
1.2 Le noyau d’un atome
6. a. Faire le schéma de l’expérience et noter les
observations.
b. Établir le schéma de la réaction réalisée.
A Action de l’acide nitrique
sur le métal cuivre Cu(s)
Un modèle est une représentation
simplifiée d’un système complexe.
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Cours
Cours
1.4 Masse d’un atome
La masse d’un électron étant négligeable devant celle d’un nucléon,
la masse d’un atome est très voisine de celle de son noyau.
La masse approchée m d’un atome est la somme de la masse des Z protons
et de la masse des (A – Z) neutrons qui le constituent (doc. 5) :
m = Z × mp + (A – Z) × mn.
Comme mp ≈ mn = mnucléon = 1,67 × 10
l’atome peut être prise égale à :
−27
Atome
Z
A
Masse approchée
(kg)
Hydrogène
1
1
0,167 × 10−26
Fluor
9
19
3,17 × 10−26
56
−26
26
Fer
9,35 × 10
de l’ordre de 10
kg.
3.2 Atomes et ions isotopes
Pour commencer, exercice 6, p. 67
Le noyau d’un atome occupe une sphère dont le diamètre est de l’ordre
de 10–15 m.
Des atomes ou des ions isotopes ont le même numéro atomique Z, mais
des nombres de nucléons A différents.
Ainsi, les isotopes ont le même nombre de protons, mais des nombres
de neutrons différents.
Dimension d’un atome :
1 × 10−10 m = 105 fm.
Dimension d’un noyau :
1 × 10–15 m = 1 fm.
63
29 Cu
Des atomes isotopes ont le même nombre d’électrons : c’est la raison
pour laquelle ils ont des propriétés chimiques identiques.
Comme l’a établi l’expérience de RUTHERFORD (activité 2), l’espace considérable entre les électrons et le noyau est vide.
2 Comment se forment les ions ?
Cations
Chlorure Cl–
Sodium Na+
Iodure I–
Potassium K+
Bromure Br–
Hydrogène H+
Fluorure F–
Cuivre (II) Cu2+
2–
2–
Oxyde O
Un ion monoatomique est formé lorsqu’un atome gagne, ou perd, un ou
plusieurs électrons.
Un anion a une charge négative. Un cation a une charge positive.
de cuivre.
Nom de
l’élément
Symbole
Numéro
atomique Z
Hydrogène
H
1
Carbone
C
6
Azote
N
7
Oxygène
O
8
Chlore
Cl
17
Cuivre
Cu
29
doc. 9 Symboles d’éléments usuels.
Nitrure N3–
65
Par ailleurs, les deux atomes isotopes 63
29 Cu et 29 Cu diffèrent par leur
nombre de neutrons : le nombre de neutrons ne caractérise pas non plus
un élément chimique.
2+
Fer (II) Fe
Fer (III) Fe3+
Aluminium Al3+
doc. 6 Les anions et cations monoatomiques
les plus courants.
La charge d’un ion est indiquée en exposant et s’exprime en nombre de
charges élémentaires e (doc. 6 et 7).
65
En revanche, Cu2+, 63
29 Cu et 29 Cu ont le même numéro atomique Z = 29.
Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z.
doc. 10 L’élément hélium He a été
découvert en 1868 en analysant la lumière
du Soleil : son nom dérive de helios qui
signifie « Soleil » en grec.
Tous les atomes et les ions d’un même élément ont des noyaux contenant
le même nombre de protons.
Par exemple, lorsqu’un atome de cuivre perd 2 électrons, il devient un
cation cuivre (II) de formule Cu2+ et porte une charge égale à + 2 e.
Les observations faites dans l’activité 3 montrent que le métal cuivre Cu,
l’ion cuivre (II) Cu2+ et l’hydroxyde de cuivre Cu(OH)2 contiennent tous
l’élément cuivre (doc. 11). Ceci est généralisable :
De même, lorsqu’un atome de chlore gagne 1 électron, il devient un anion
chlorure de formule Cl– et porte une charge égale à – e (doc. 6 et 7).
Au cours des réactions chimiques, les noyaux n’étant pas modifiés, les
différents éléments sont conservés. Aucun élément ne peut apparaître
ou disparaître dans une réaction chimique.
doc. 7 Les eaux minérales contiennent
de nombreux ions.
Pour commencer, exercice 11, p. 67
Cu(s)
action de
l'acide nitrique
action du
métal fer
2+
Cu (aq)
Cu2+(aq)
action de
la soude
action de l'acide
sulfurique
Cu(OH)2(s)
doc. 11 Diagramme des différentes
réactions faisant intervenir l’élément cuivre.
4 L’atome 63
62
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Numéro atomique
Z = nombre de protons
Le métal cuivre Cu et l’ion cuivre (II) Cu2+ diffèrent par leur nombre d’électrons : le nombre d’électrons ne caractérise pas un élément chimique.
2.2 Charge d’un ion
Pour commencer, exercices 7 et 8, p. 67
Symbole de
l’atome de cuivre
3.3 L’élément chimique
Chaque élément possède un nom et un symbole qui commencent par une
lettre majuscule, le plus souvent la première lettre du nom français ou
latin (doc. 9 et 10).
Lors de la formation d’un ion, seul le cortège électronique est modifié.
Le noyau reste inchangé : il garde le même nombre de protons et de
neutrons.
Cu
29
Pour commencer, exercices 9 et 10, p. 67
Anions
Sulfure S
2.1 Définitions
65
29 Cu
Les deux atomes
et
sont isotopes, car ils ont un numéro atomique identique (Z = 29) et des nombres de nucléons A différents (A = 63
pour le premier et A = 65 pour le second).
Le noyau est environ 100 000 fois (105 fois) plus petit que l’atome.
Un atome est essentiellement constitué de vide : on dit qu’il a une
structure lacunaire.
63
doc. 8 Notation symbolique d’un atome
m = A × mnucléon.
Le diamètre d’un atome, assimilé à une sphère, est de l’ordre de 10–10 m.
Un atome de symbole chimique X, dont le noyau comporte A nucléons
et Z protons, est noté AZ X.
Ainsi, l’atome de cuivre noté 63
29 Cu a un noyau qui contient 63 nucléons,
dont 29 protons et 63 – 29 = 34 neutrons (doc. 8).
kg, la masse approchée m de
1.5 Dimensions des atomes et des noyaux
Nombre de nucléons
A = nombre de protons + nombre de neutrons
3.1 Notation symbolique d’un atome
doc. 5 La masse approchée des atomes est
–26
3 Qu’est-ce qu’un élément chimique ?
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SAVOIR
Retenir l’essentiel
QCM
Les savoirs
Connaître les constituants d’un atome
• Un atome est constitué d’un noyau
central chargé positivement et d’électrons chargés négativement en mouvement autour du noyau.
• Le noyau est constitué de A nucléons
dont Z protons et (A – Z) neutrons.
• Le cortège électronique d’un atome
comprend Z électrons portant chacun
une charge électrique – e.
ÉNONCÉ
1. Une météorite
ferreuse contient
des atomes de fer.
Le noyau d’un atome
de fer est caractérisé
par les nombres A = 56 et Z = 26.
Ce noyau contient :
-
-
+
• Un proton a une charge électrique e
et un neutron une charge nulle.
La charge Q du noyau est Q = Z × e.
-
-
-
2. Un proton porte une charge
électrique :
+
1R\DX
- eOHFWURQ
3URWRQ
1HXWURQ
3. Un atome possède :
• Un atome de symbole X dont le noyau comporte A nucléons et Z protons est noté
A
Z X.
4. La masse d’un atome est à peu près
égale à :
• La masse d’un atome est concentrée dans son noyau. La masse approchée m d’un atome est m = A × mnucléon.
5. La dimension d’un atome est :
• Un atome est essentiellement constitué de vide : il a une structure lacunaire.
Nombre de nucléons ⫽ Nombre de protons ⫹
Nombre de neutrons
A
Z
X
SAVOIR
S’auto-évaluer
Symbole de l’élément
Numéro atomique ⫽ nombre de protons
A
B
C
Si échec
revoir
26 protons
26 nucléons
30 neutrons
§1 p. 61
égale à celle
d’un neutron
égale à e
égale à celle
de l’électron
§1 p. 61
autant d’électrons
que de protons
plus de protons
que de nucléons
plus d’électrons
que de protons
§1 p. 61
la masse
de ses protons
la masse
de ses nucléons
la masse
de son noyau
§1 p. 62
de l’ordre
du millimètre
de l’ordre
de celle du noyau
105 fois plus
grande que celle
du noyau
§1 p. 62
est un cation
provient d’un
provient d’un
atome qui a gagné atome qui a perdu
3 électrons
3 électrons
Charge de l’ion
6. L’ion fer (III) Fe3+ :
2+
Cu
7. La couleur bleue,
sur cette image de
la nébuleuse de l’Aigle,
est due à l’émission
lumineuse des ions
oxyde O2–.
L’ion oxyde O2– :
Symbole de l’élément
Définir un ion monoatomique
§2 p. 62
porte une charge
égale à – 2 C
porte une charge
égale à – 2e
provient
d’un atome
d’oxygène
qui a gagné
2 électrons
appartiennent
au même
élément chimique
sont 3 isotopes
de l’élément
oxygène
ont le même
nombre
de protons
§3 p. 63
contiennent tous
des atomes
de cuivre
contiennent tous
l’élément
cuivre
contiennent tous
des ions
cuivre (II)
§3 p. 63
il y a
conservation
des éléments
chimiques
il y a
conservation
des noyaux
il y a
conservation
des atomes
§3 p. 63
§2 p. 62
• Un ion monoatomique est formé lorsqu’un atome a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.
• Un anion est un ion qui a une charge négative. Un cation est un ion qui a une charge positive.
8. Les atomes 168O, 188O et l’ion 178O2– :
Définir un élément chimique
• Un élément chimique est caractérisé par son numéro atomique Z. Tous les atomes et ions d’un même élément
chimique ont des noyaux contenant le même nombre de protons.
• Des atomes ou des ions isotopes ont le même numéro atomique Z, mais des nombres de nucléons A différents.
• Au cours des réactions chimiques, les différents éléments se conservent.
9. Le chlorure
de cuivre (II) (a),
le sulfate de
cuivre (II) (b) et
le métal cuivre (c) :
Les compétences attendues
10. Lors d’une réaction chimique :
A
Z X.
• Calculer la masse approchée d’un atome à partir de la masse de ses constituants.
• Pratiquer une démarche expérimentale pour vérifier la conservation des éléments chimiques au cours d’une
réaction chimique. [ TP ]
Réponses p. 319
4 L’atome 65
64
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b
c
• Déterminer la constitution d’un atome ou d’un ion à partir de sa notation symbolique.
• Connaître et utiliser le symbole
a
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SAVOIR Analyser, résoudre et rédiger
Exercices
Compétences mises en œuvre
„
Données communes à tous les exercices :
– charge élémentaire : e = + 1,60 × 10 –19 C ;
– masse d’un nucléon : mnucléon = 1,67 × 10 –27 kg.
• Déterminer la composition d’un atome.
• Effectuer un calcul.
Le sélénium
Pour commencer
Le sélénium est un élément chimique dont le
nom dérive de Séléné, déesse de la Lune.
Un atome de sélénium, de symbole Se, a un
noyau de masse approchée m = 1,32 × 10−25 kg
et possède N = 45 neutrons.
Quelle est la structure d’un atome ?
Donnée :
masse d’un nucléon : mnucléon = 1,67 × 10−27 kg.
doc. 1 Les cellules photovoltaïques CIS (Cuivre-Indium-Sélénium)
ont un bon rendement énergétique pour la production d’électricité
à partir de la lumière solaire.
CONSEILS
Que demande-t-on ?
„
On doit déterminer la composition d’un atome en
exploitant la masse du noyau et le nombre de neutrons,
puis en déduire sa représentation symbolique.
Quelles sont les données dont on dispose et comment
„
les exploiter ?
1. On dispose de la masse approchée du noyau. On en
déduit le nombre A de nucléons du noyau en utilisant
la relation : m = A × mnucléon.
On dispose du nombre N de neutrons du noyau.
Connaissant le nombre A de nucléons, on en déduit
le nombre Z de protons du noyau : Z = A – N.
Comment déterminer le nombre d’électrons de l’atome ?
„
On utilise la neutralité électrique de l’atome.
Comment établir la notation symbolique de cet atome ?
„
2. On utilise le symbole de l’élément correspondant et
on indique son numéro atomique Z et son nombre A
A
de nucléons en utilisant la notation Z X.
Solution rédigée
Comment se forment les ions ?
7 Déterminer la formule d’un ion
Un ion X possède 10 électrons et 12 protons.
2. Donner sa représentation symbolique.
Donnée : masse d’un nucléon : mnucléon = 1,67 × 10−27 kg.
1. S’agit-il d’un anion ou d’un cation ?
2. En déduire le nombre de neutrons du noyau.
2. Exprimer la charge de cet ion en nombre de charges
élémentaires.
Io est un satellite de Jupiter dont
les volcans libèrent du soufre et du
dioxyde de soufre.
Le noyau d’un atome de soufre
contient 32 nucléons et 16 neutrons.
m
mnucléon
=
1,32 × 10–25
= 79,0.
1,67 × 10–27
1. Déterminer la valeur de A.
2. En déduire la valeur du numéro
atomique Z.
A étant un entier, A = 79.
Le noyau contient N = 45 neutrons.
Le nombre Z de protons est égal à :
Z = A – N = 79 – 45 = 34.
Un atome étant électriquement neutre,
son nombre d’électrons est égal au
nombre de protons de son noyau, soit
34 électrons.
8 Déterminer la charge d’un ion
Qu’est-ce qu’un élément chimique ?
9 Comparer deux atomes
Le Soleil est essentiellement
composé des éléments hydrogène
H et hélium He. On considère deux
3
atomes d’hélium de symbole 2 He
4
et 2 He.
1. Ces atomes sont-ils isotopes ?
3 Déterminer la composition d’un noyau (II)
Le noyau d’un atome a une charge Q = 2,08 × 10 –18 C et
contient 14 neutrons.
1. Calculer le nombre de protons de son noyau.
2. En déduire le nombre de nucléons du noyau.
2. La représentation symbolique de l’atome
est 79
34Se.
4 Déterminer la composition d’un atome (I)
Les sidérites sont des météorites métalliques constitués
essentiellement de fer et de nickel.
Le noyau d’un atome de nickel contient 59 nucléons et
28 protons.
1. Déterminer le nombre d’électrons de l’atome de nickel.
Le tellure est un élément chimique dont le nom dérive du latin tellus (Terre).
Les éléments tellure et sélénium sont toujours liés dans les minerais,
comme le sont la Terre et la Lune dans l’espace (doc. 2).
Un atome de tellure, de symbole Te, a un noyau de masse approchée
m = 2,12 × 10–25 kg et possède 52 protons.
1. Déterminer la composition de cet atome.
Un ion possède 16 protons et 18 électrons.
1. Déterminer le nombre de protons du noyau.
1. La masse approchée du noyau est proportionnelle au nombre de nucléons
du noyau : m = A × mnucléon ,
donc :
A=
2. La formule de cet ion est-elle X2– ou X2+ ?
Le centre de la Terre est constitué de fer à l’état solide. Le
noyau d’un atome de fer est caractérisé par les nombres
A = 56 et Z = 26.
2 Déterminer un numéro atomique
Application immédiate
2. Quel est le nombre de neutrons
de son noyau ?
2. Établir la composition de chacun des atomes.
10 Identifier des noyaux isotopes
Soit les noyaux caractérisés par les couples de valeur
(Z, A) suivants :
(7, 14) ; (14, 28) ; (27, 59) ; (13, 27) ; (14, 29) ; (7, 15).
1. Un élément chimique est-il caractérisé par la valeur
de Z ou par celle de A ?
2. En déduire le nombre d’éléments chimiques représentés.
3. Identifier les isotopes.
11 Chercher la composition d’un atome
ou d’un ion
Recopier et compléter le tableau ci-dessous.
Symbole
doc. 2 Le couple Terre-Lune
vu par la sonde Galileo en 1990
à une distance de 6 millions
de kilomètres.
Voir correction page 321
5 Déterminer la composition d’un atome (II)
Le noyau d’un atome de cobalt comporte 32 neutrons et
27 protons.
1. Déterminer le nombre d’électrons de l’atome de cobalt.
2. Quel est le nombre de nucléons de son noyau ?
Nom
Nombre
Nombre
Nombre
de l’élément
de protons de neutrons d’électrons
chimique
7 +
Li
3
12
C
6
16 2–
O
8
35
Cl
17
4 L’atome 67
66
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La masse approchée d’un atome d’or est m = 3,29 × 10–25 kg.
Calculer le nombre de nucléons de son noyau.
1. S’agit-il d’un anion ou d’un cation ?
1 Déterminer la composition d’un noyau (I)
1. Déterminer la composition de cet atome.
2. En déduire sa représentation symbolique.
6 Calculer un nombre de nucléons
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Exercices
Pour s’entraîner
12 À chacun son rythme
Cet exercice est proposé à deux niveaux de difficulté.
Dans un premier temps, essayer de résoudre l’exercice
de niveau 2. En cas de difficultés, passer au niveau 1.
L’ion sulfure, de formule S2–
(présent dans la blende cicontre), est caractérisé par
les nombres de protons,
neutrons et électrons, respectivement (16, 16, 18).
Exercices
3. L’oxyde de fer (III) présent à la surface de la planète
Mars peut s’écrire (… Fe3+, … O2–).
Sachant que l’oxyde de fer (III) est électriquement neutre,
compléter les pointillés.
14 Analyser l’étiquette d’une eau minérale
1. Faire l’inventaire (noms et formules) des cations et des
anions monoatomiques présents sur l’étiquette de l’eau
minérale ci-dessous.
1. a. Calculer le nombre de nucléons du noyau de l’ion
sulfure.
b. Établir la notation symbolique de l’ion sulfure.
2. Deux espèces chimiques X et Y sont caractérisées respectivement par les nombres (16, 18, 16) et (14, 16, 14).
a. Comparer le nombre de protons de l’ion sulfure avec le
nombre de protons de chacune des espèces X et Y.
b. L’une de ces deux espèces est-elle isotope de l’ion
sulfure S2– ?
2. L’ion calcium possède 18 électrons.
Combien d’électrons possède l’atome de calcium dont il est
issu ?
En déduire le numéro atomique de l’élément calcium.
3. L’ion fluorure possède 10 électrons. Combien d’électrons possède l’atome de fluor dont il est issu ?
En déduire le numéro atomique de l’élément fluor.
15 Composition chimique du Soleil,
de la Terre et du corps humain
Le tableau ci-dessous indique les abondances moyennes
en masse, exprimées en pourcentage, des éléments
chimiques présents dans le Soleil, la Terre et le corps
humain.
Soleil
13 Pourquoi la surface de Mars est-elle rouge ?
H
He
O
C
Ne
N
Autres
La couleur rouge de la surface de Mars ci-dessus est,
entre autres, due à la présence d’oxyde de fer dont on
cherche la composition ionique.
Recopier et compléter le tableau ci-dessous.
Un professeur de Seconde a donné à ses élèves un
exercice de chimie dont la solution est fournie ci-après.
Après avoir lu l’intégralité de la solution, construire
l’énoncé correspondant. Les questions posées devront
avoir exactement pour réponses celles données ci-après.
Fournir toutes les données numériques nécessaires.
Symbole
Nombre
Nombre
Nombre
Notation
de l’élément
de protons de neutrons d’électrons
symbolique
chimique
4
5
4
Be
25
30
23
Mn
17
18
18
Cl
Terre
73
25
0,8
0,3
0,1
0,1
0,7
Fe
O
Si
Mg
Ni
Autres
Corps humain
35
30
15
13
2
5
O
C
H
N
Autres
SVT
Énoncé de l’exercice
L’iridium est un élément
chimique de symbole Ir
et de numéro atomique 77.
Il est quasiment absent
de la surface de la Terre,
mais très abondant dans
les météorites métalliques.
Or, les géologues ont
détecté de l’iridium à la
limite des couches géoVue artistique de l’impact.
logiques du Crétacé et du
Tertiaire.
Cette découverte vient étayer la théorie selon laquelle
un impact météoritique serait à l’origine de l’extinction
des dinosaures à la fin du Crétacé. Un atome d’iridium
possède 192 nucléons. Il peut donner des ions Ir4+.
1. Déterminer la composition d’un atome d’iridium.
60
24
10
3
3
2. L’ion iridium Ir4+ est-il un anion ou un cation ?
3. Calculer la masse approchée m d’un atome d’iridium.
4. @ Rechercher le lieu et la date probable de l’impact
météoritique.
Corrigé de l’élève
1. Quels sont les deux éléments chimiques les plus abondants dans le Soleil ?
1. Protons : 77 ; neutrons : 115.
2. Quel est l’élément le plus abondant sur Terre ? Dans
quelle partie de la Terre le trouve-t-on principalement ?
2. C’est un cation. À justifier.
3. Pourquoi l’oxygène est-il l’élément le plus abondant
dans le corps humain ?
1. L’ion fer de cet oxyde est issu d’un atome de fer de
symbole 56
26 Fe qui a perdu trois électrons.
Quelle est la formule de cet ion ?
4. La composition chimique du corps humain se rapproche-t-elle davantage de celle de la Terre ou de celle
du Soleil ?
2. L’ion oxyde est issu d’un atome d’oxygène de symbole
16
8O qui a gagné deux électrons.
Quelle est la formule de cet ion ?
5.
Avec l’aide d’un tableur, établir un diagramme
circulaire des éléments chimiques présents sur Terre
(voir fiche n° 14 page 317 si nécessaire).
B2i
À justifier. Composition incomplète.
1. Le symbole d’un atome de magnésium montre que son
noyau est composé de A = 25 nucléons et de Z = 12 protons.
Le nombre de neutrons est :
N = A – Z = 25 – 12 = 13.
2. Ce nombre est égal à 12, car l’atome est électriquement neutre.
3. Ces deux atomes sont isotopes. Ils diffèrent par leur
nombre de neutrons : 13 pour le premier, 12 pour le
second.
19 L’hélium 3, une des ressources
de la Lune
L’hélium 3, de symbole 32 He,
est un des isotopes stables de
l’hélium.
Sur Terre, l’hélium 3 est très
rare ; sa masse est estimée à
0,5 tonne. Les missions Apollo
ont montré que la Lune en
possède d’importantes réserves
estimées à environ 100 000
tonnes.
L’hélium 3 pourrait servir de combustible dans les futures
centrales à fusion contrôlée.
La réaction de fusion entre le l’hélium 3 et le deutérium
2
1 H s’écrit :
3
2
1
A
2 He + 1 H = 1 H + Z X
A
où Z X est un noyau à déterminer.
Cette réaction a l’avantage de former des noyaux non
radioactifs et de libérer une énergie considérable.
Mais la température d’une telle fusion est dix fois supérieure à celle qui est nécessaire à la fusion deutériumtritium expérimentée dans le programme ITER.
Expression littérale ? Unité ?
1. a. Sachant qu’au cours de cette réaction de fusion le
nombre de nucléons et le nombre de protons sont conservés, déterminer les valeurs A et Z du noyau AZ X.
b. Identifier l’élément X.
4. Impact de Chicxulub. 65 millions d’années.
2. Comment qualifie-t-on les noyaux 32 He et AZ X ?
Il faut faire des phrases et être plus précis !
3. Donner la composition de ces noyaux.
Citer les sources.
4. @ Après une recherche sur Internet, décrire en
quelques lignes en quoi consiste le programme ITER.
3. Masse approchée :
m = 192 × 1,67 × 10–27 = 3,21 × 10–25.
4 L’atome 69
68
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Solution de l’énoncé à proposer
La solution de l’exercice suivant a été rédigée par un
élève puis annotée par un professeur. Lire l’énoncé,
les réponses de l’élève et les corrections suggérées
puis rédiger une solution détaillée.
1. Établir la notation symbolique de l’ion sulfure.
Niveau 1
18 Proposer un énoncé à partir de son corrigé
17 Rédiger correctement une solution
Niveau 2
2. Deux espèces chimiques X et Y sont caractérisées respectivement par les nombres (16, 18, 16) et (14, 16, 14).
L’une de ces deux espèces est-elle isotope de l’ion sulfure
S2– ?
16 Établir une notation symbolique
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Exercices
20 Scientific vocabulary
7. Que signifie le terme « fongicide » ?
Write up and complete the sentences using the following
words : atom, anion, cation, chemical element, electrically
neutral, electron cloud, electrons, isotopes, monoatomic
ion, neutrons, nucleus, protons, same number.
An ...... (a) ...... is composed of a positively-charged
...... (b) ...... and a negatively-charged ...... (c) ...... . An atom
is globally ...... (d) ...... so it has the ...... (e) ...... of protons
and electrons. The nucleus is composed of ...... (f) ......
and ...... (g) ...... . The number of protons in the nucleus
defines a ...... (h) ...... . The number of neutrons determines
the ...... (i) ...... of the chemical element. An ...... (j) ...... is
an atom which has lost or gained one or more ...... (k) ......
making it positively or negatively charged. A positively
charged ion is called ...... (l) ...... . A negatively charged ion
is called ...... (m) ....... .
8. L’azurite a longtemps été utilisée par les artistes.
Comment s’en servaient-ils ?
21 Le cuivre dans la nature
SVT
@ Pour cet exercice, on pourra s’aider d’une recherche sur
Internet.
I. Le métal cuivre
Le cuivre est l’un des rares métaux existant à l’état natif. Il
fut le premier métal utilisé par les hommes préhistoriques.
Les objets en cuivre les plus anciens ont été retrouvés au
Moyen-Orient et datent de 8 000 ans avant notre ère.
Le métal cuivre est un excellent conducteur de la chaleur
et de l’électricité, il est ductile et malléable. Mais le cuivre
peut encore nous surprendre : il possède des propriétés
bactéricides qui pourraient participer à la lutte contre
les maladies nosocomiales. Des études ont montré que
des staphylocoques dorés déposés sur du cuivre meurent
beaucoup plus rapidement que sur un autre matériau.
Il est donc envisagé d’équiper les hôpitaux de robinets,
poignées de portes, distributeurs de savon, etc. en cuivre
pour limiter la propagation des bactéries.
II. Quelques dérivés du cuivre
Le sulfate de cuivre est un solide blanc lorsqu’il est
anhydre. Il est bleu lorsqu’il est hydraté. Il entre dans la
composition de la « bouillie bordelaise » utilisée en viticulture pour ses propriétés fongicides.
L’azurite ci-contre est un
minéral contenant l’ion
Cu2+. Elle est très recherchée par les minéralogistes
pour sa couleur intense.
9. À quoi est due la couleur verdâtre de la statue de
la Liberté ?
22 Comment les étoiles fabriquent-elles
les atomes ?
Une étoile comme le
Soleil est principalement
constituée d’hydrogène
et d’hélium. La température et la pression au
cœur du Soleil sont très
élevées.
À 10 millions de degrés,
une réaction nucléaire
fait fusionner 4 noyaux
d’hydrogène notés 11 H
pour former un noyau
noté 42 X selon :
4 11 H 1 42 X + 2 01 e
0
où 1e est le symbole d’un positon. Cette réaction libère
une énergie considérable qui fait briller l’étoile.
1. Quel est le symbole de l’élément chimique X ? Justifier.
2. @ Chercher les caractéristiques d’un positon.
Après la fusion de l’hydrogène, d’autres réactions de
fusion peuvent se produire dans le cœur d’une étoile.
Lorsque la température du cœur atteint environ 100 millions de degrés, la fusion de l’hélium commence selon la
réaction nucléaire : 42 He + 42 He 1 AZ X
3. Sachant qu’au cours de cette réaction de fusion, le nombre
de nucléons et le nombre de protons sont conservés, calculer
les valeurs A et Z caractérisant le noyau AZ X.
4. Identifier l’élément chimique correspondant à ce
noyau. Pour cela, consulter la Classification périodique
des éléments en fin d’ouvrage.
2. Que signifie « état natif » ?
5. Les éléments chimiques sont-ils conservés au cours
d’une réaction nucléaire ?
Dans les étoiles de masse au moins quatre fois supérieure
à celle du Soleil, d’autres éléments plus lourds peuvent
ensuite être formés par fusion : par exemple le carbone
12
C, l’oxygène 16O, le silicium 28Si (…) et le fer 56Fe.
La synthèse des éléments cesse lorsque le noyau de fer 56
est formé. Ce noyau, très stable, contient 30 neutrons.
Finalement, l’étoile explose en supernova et libère dans
l’espace tous les éléments formés au cours de sa « vie ».
3. Qu’est-ce que le bronze ?
6. Quel est le symbole du noyau de fer 56 ?
4. Que signifient les termes « ductile » et « malléable » ?
7. @ Qu’est-ce qu’une supernova ?
5. Que sont les maladies « nosocomiales » ?
8. @ Quelles sont les autres fins de vie possibles pour une
étoile ?
1. Rechercher l’origine du
mot « cuivre ».
6. Qu’est-ce qu’un staphylocoque doré ?
70
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