Atomes, molécules et modèle particulaire

Calculer une composition

Pour chaque particule, réponds en écrivant le calcul. Données — numéros atomiques : carbone 6, oxygène 8, sodium 11, chlore 17, fer 26.

1. 1.Un atome de fer : 26 protons, 30 neutrons. Calcule $A$.

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   $A=56$

   Le nombre de masse compte tous les nucléons : $26+30=56$. Les électrons n’y entrent pas.

2. 2.Le carbone possède 6 électrons lorsqu’il n’est pas chargé, et 12 nucléons. Combien de ses nucléons sont des neutrons ?

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   6

   Neutre, l’atome a autant de protons que d’électrons, soit 6 ; les nucléons restants sont des neutrons : $12-6=6$.

3. 3.Avec combien d’électrons l’ion ${\mathrm{O}}^{2-}$ se présente-t-il ?

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   10

   8 protons, puisque $Z=8$ ; la charge 2− signale deux électrons gagnés : $8+2=10$.

4. 4.Un chlore porteur de 18 électrons : que vaut sa charge, et comment la note-t-on ?

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   $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$, charge moins un

   Un électron de plus que de protons : $17-18=-1$. C’est un anion, qui a gagné un électron.

5. 5.11 protons, 12 neutrons, 10 électrons : à quel élément appartient cette particule ? Écris-la avec son symbole et calcule son nombre de masse.

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   Sodium ; $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ ; $A=23$

   11 protons : c’est le sodium. Il lui manque un électron, $11-10=1$ : c’est le cation $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$. Ses nucléons : $11+12=23$.

Exploiter le tableau périodique

Observe le document 1, puis réponds aux questions en justifiant par la place des éléments.

1. 1.Parmi D, G et L, lequel a les propriétés chimiques les plus voisines de celles de E ? Justifie.

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   L, placé dans la même colonne que E.

   Les éléments d’une même colonne forment une famille, aux propriétés chimiques voisines ; D et G sont seulement sur la même ligne que E.

2. 2.E et G appartiennent-ils à la même famille ou à la même période ?

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   À la même période, puisqu’ils sont sur la même ligne.

   Une ligne s’appelle une période ; deux éléments voisins sur une ligne ne se ressemblent pas forcément.

3. 3.Lequel a le plus grand numéro atomique : R ou J ? Justifie.

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   J, car il se trouve sur la ligne suivante.

   Les éléments sont rangés par numéro atomique croissant : on parcourt la ligne 2 jusqu’au bout avant de passer à la ligne 3, où se trouve J.

4. 4.B, G et M occupent la dernière colonne. Quelle est leur famille, et que peut-on prévoir de leur comportement chimique ?

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   Les gaz nobles : ils sont très peu réactifs.

   La dernière colonne est celle des gaz nobles ; leur place suffit à prévoir leur comportement, sans les avoir étudiés un par un.

Analyser un modèle moléculaire

Le document 2 représente, par des modèles moléculaires, le contenu d’une boîte et une molécule X. Réponds aux questions.

1. 1.Écris la formule brute de la molécule X.

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   $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4\mathrm{O}$

   On compte sur le modèle un carbone, quatre hydrogènes — trois sur le carbone, un sur l’oxygène — et un oxygène. Sans indice, C et O comptent chacun un atome.

2. 2.Combien d’atomes forment une molécule X ?

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   6

   $1+4+1=6$ : on additionne les atomes de chaque élément, comptés séparément.

3. 3.Décris le contenu de la boîte en écrivant chaque formule précédée du nombre de molécules.

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   $3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ et $2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$

   La boîte contient trois molécules de méthane et deux de dioxyde de carbone : le nombre devant la formule compte les molécules identiques.

4. 4.Combien la boîte contient-elle d’atomes de carbone, d’hydrogène et d’oxygène ? Écris les calculs.

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   C : $3\times 1+2\times 1=5$ ; H : $3\times 4=12$ ; O : $2\times 2=4$

   Chaque méthane apporte un carbone et quatre hydrogènes, chaque dioxyde de carbone un carbone et deux oxygènes : on multiplie, puis on additionne élément par élément. 0,5 point par élément.

5. 5.Quel est le nombre total d’atomes dans la boîte ? Et le nombre de molécules ?

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   21 atomes, 5 molécules

   $5+12+4=21$ atomes, répartis dans $3+2=5$ molécules : on ne confond pas le nombre d’atomes et le nombre de molécules.

6. 6.Un camarade résume la boîte par ${\mathrm{C}}_5{\mathrm{H}}_{12}{\mathrm{O}}_4$. Pourquoi a-t-il tort, alors que ses atomes sont bien dénombrés ?

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   Elle décrirait une seule molécule de 21 atomes liés, alors que la boîte contient cinq molécules séparées, de deux sortes.

   Une formule brute décrit une seule molécule : le comptage est juste, mais l’écriture prétend que tous les atomes sont liés entre eux. On écrit $3\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ et $2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$.

Raisonner et justifier

Le document 3 schématise quatre particules. Données : $Z=3$ pour le lithium, $Z=8$ pour l’oxygène. Réponds aux questions.

1. 1.Parmi les quatre particules, lesquelles sont des atomes ? Vérifie-le en comparant deux nombres.

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   A et D : A a 3 électrons pour 3 protons, D en a 8 pour 8 protons.

   Un atome est électriquement neutre : il a autant d’électrons que de protons. B et C n’en ont pas autant.

2. 2.Que vaut la charge de B ? Donne sa notation et précise sa catégorie : cation ou anion.

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   $\mathrm{L}{\mathrm{i}}^{+}$, cation.

   3 protons, c’est le lithium ; avec 2 électrons, il en a perdu un : $3-2=1$ charge positive.

3. 3.Mêmes questions pour la particule C.

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   ${\mathrm{O}}^{2-}$, anion.

   8 protons, c’est l’oxygène ; avec 10 électrons, il en a gagné deux : $8-10=-2$.

4. 4.A et B sont-elles des particules du même élément ? Justifie.

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   Oui : toutes deux ont 3 protons, ce sont deux particules de lithium.

   L’élément est fixé par le nombre de protons ; seuls les électrons diffèrent, ce qui fait de B un ion lithium.

5. 5.Les deux électrons gagnés ont-ils changé la masse de C de façon notable ? Justifie.

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   Non : presque toute sa masse se trouve dans le noyau, qui est resté le même.

   Les électrons occupent le volume de l’atome, mais la masse est concentrée dans le noyau ; gagner deux électrons ne la modifie presque pas.