Atomes, molécules et modèle particulaire

Repérer une erreur et la corriger

La copie du document 1 contient cinq erreurs ; une seule ligne est juste. Pour chaque erreur, indique la ligne, explique ce qui est faux et écris ce qu’il fallait dire. Donnée : $Z=29$ pour le cuivre.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Ligne 2 — l’échange d’électrons pris à l’envers.

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   Le cuivre $\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{2+}$ a cédé deux électrons : il ne lui en reste que $29-2=27$.

   Les électrons sont négatifs : en perdre rend l’ensemble positif. Gagner deux électrons aurait donné une charge 2−.

2. 2.Ligne 3 — le nombre écrit devant la formule, additionné au lieu d’être multiplié.

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   Le 2 compte les molécules : $2\times 3=6$ atomes, dont 2 de carbone et 4 d’oxygène.

   Chaque molécule de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ compte 3 atomes ; le nombre écrit devant multiplie toute la formule.

3. 3.Ligne 4 — une minuscule qui change l’élément.

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   Le monoxyde de carbone s’écrit $\mathrm{CO}$, avec deux majuscules ; $\mathrm{Co}$, avec une minuscule, désigne le cobalt.

   Une majuscule commence chaque symbole : $\mathrm{CO}$ réunit deux éléments, $\mathrm{Co}$ n’en désigne qu’un.

4. 4.Ligne 5 — une écriture à qui l’on fait dire trop.

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   Une formule brute compte les atomes sans dire comment ils sont liés ; le modèle de l’eau montre chaque hydrogène lié à l’oxygène.

   C’est le modèle moléculaire, et non la formule brute, qui montre l’assemblage des atomes.

5. 5.Ligne 6 — une colonne prise pour une autre.

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   C’est ce que font les gaz nobles, dans la colonne voisine ; les halogènes, eux, réagissent et forment des ions négatifs.

   Chaque colonne a son comportement : confondre deux colonnes, c’est perdre ce que le tableau permet de prévoir.

Confronter un modèle au cours

Tom et Inès ont dessiné un atome (document 2). Confronte leurs dessins au modèle du cours.

1. 1.Relève les deux erreurs du dessin de Tom et corrige-les.

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   Ses électrons sont dans le noyau, alors qu’ils se trouvent autour ; son noyau remplit presque tout l’atome, alors qu’il n’en occupe qu’une part infime.

   Le noyau ne renferme que des protons et des neutrons, et l’atome est presque entièrement vide. 0,5 point par erreur corrigée.

2. 2.Inès affirme que son noyau ne peut pas être dessiné à l’échelle. A-t-elle raison ? Explique ce qui arriverait si l’on respectait les proportions.

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   Oui : un noyau assez gros pour être vu imposerait un atome immense, et un atome de la taille de la feuille aurait un noyau invisible.

   Le noyau est des dizaines de milliers de fois plus petit que l’atome : aucun schéma ne peut tenir les deux à la fois, comme le montre l’image de la bille au centre d’un stade.

3. 3.Tom défend son dessin : « Mes électrons sont bien protégés au centre, et c’est pour cela qu’un atome peut former un ion. » Réfute son argument.

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   C’est l’inverse : des électrons enfermés au centre ne pourraient pas être échangés ; c’est parce qu’ils tournent autour du noyau qu’un atome peut en perdre ou en gagner.

   En chimie, le noyau ne change pas ; seuls les électrons, placés autour, sont échangés, et c’est ce qui forme les ions.

Raisonner et justifier

Le document 3 montre une colonne du tableau périodique dont on aurait laissé une case vide, comme Mendeleïev le faisait pour les éléments encore inconnus. Réponds en t’appuyant sur la place de la case.

1. 1.Quelle charge l’ion de l’élément inconnu porterait-il probablement ? Justifie.

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   Moins un, comme ${\mathrm{F}}^{-}$, $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ et ${\mathrm{I}}^{-}$ : la case appartient à la famille des halogènes.

   Les éléments d’une même colonne ont des propriétés chimiques voisines : la place de la case suffit à prévoir la charge, sans rien savoir d’autre de l’élément.

2. 2.Comparé à 17, son $Z$ serait-il supérieur ou inférieur ? Appuie-toi sur l’ordre du tableau.

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   Supérieur : la case se trouve sous celle du chlore, et l’on parcourt le tableau ligne après ligne dans l’ordre des $Z$ croissants.

   On lit le tableau ligne après ligne : tout élément d’une ligne située plus bas vient après le chlore dans le classement.

3. 3.Qu’est-ce que ce trou dans la colonne révèle du classement ? Pourquoi n’est-ce pas une simple liste ?

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   Elle permet d’annoncer l’existence et le comportement d’un élément avant de l’avoir observé : le tableau prédit.

   Mendeleïev a laissé des cases vides pour des éléments découverts ensuite, avec les propriétés annoncées : un classement scientifique affirme quelque chose sur ce qu’on n’a pas encore vu.

Raisonner et justifier

Données — numéros atomiques : carbone 6, oxygène 8, sodium 11, chlore 17, fer 26, cuivre 29. Réponds en écrivant tes calculs.

1. 1.Il reste 24 électrons à un cation 2+. Identifie l’élément et donne la notation de cet ion.

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   Du fer : $24+2=26$ protons ; l’ion s’écrit $\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}$.

   Un cation 2+ a perdu deux électrons : avant de les perdre, il en avait 26, autant que de protons. 26 protons désignent le fer.

2. 2.Deux ions ont chacun 10 électrons : l’un a 8 protons, l’autre 11. Écris la notation de chacun.

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   ${\mathrm{O}}^{2-}$ et $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$

   8 protons pour 10 électrons : deux charges négatives, ${\mathrm{O}}^{2-}$. 11 protons pour 10 électrons : une charge positive, $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$. Le même nombre d’électrons ne fait pas le même élément.

3. 3.Une élève trouve, pour un ion du chlore, 17 protons et 19 électrons, et l’écrit $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$. Montre que son résultat est incohérent, et dis ce qu’elle aurait dû trouver.

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   17 protons et 19 électrons donneraient une charge 2−, et non 1− ; l’ion $\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ a 18 électrons.

   $17-19=-2$ ne correspond pas à la notation écrite ; le chlore, un halogène, forme un anion de charge moins un : $17+1=18$ électrons.

Argumenter par écrit

Un camarade affirme : « L’ion $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ a autant d’électrons qu’un atome de néon : il est donc devenu du néon. » Rédige une argumentation d’une quinzaine de lignes qui dit s’il a raison, en t’appuyant sur des compositions calculées. Données : sodium, $Z=11$ et $A=23$ ; néon, $Z=10$.

Réponse rédigée. Ce que le correcteur attend, critère par critère :

1. 1.Inventaire des particules de l’atome et de l’ion, chiffres à l’appui.

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   11 protons, $23-11=12$ neutrons et 11 électrons pour l’atome ; l’ion, privé d’un électron, garde 11 protons et 12 neutrons mais n’a plus que $11-1=10$ électrons.

   C’est la base de l’argumentation : sans composition calculée, la comparaison avec le néon reste une impression.

2. 2.Composition électrique de l’atome de néon, et ce que le camarade a observé de juste.

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   L’atome de néon, neutre, a 10 protons et 10 électrons : il a bien autant d’électrons que l’ion $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$.

   Une bonne argumentation reconnaît ce qui est exact dans l’affirmation avant de la réfuter.

3. 3.Le critère qui fixe l’élément, appliqué aux deux particules.

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   L’identité d’un élément est fixée par son nombre de protons : 11 pour l’ion sodium, 10 pour le néon. Ce sont deux éléments différents.

   Le nombre d’électrons varie d’un ion à l’autre sans changer l’élément ; seul un changement du nombre de protons le ferait.

4. 4.Ce qu’il faudrait pour passer du sodium au néon, et pourquoi cela n’arrive pas en chimie.

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   Il faudrait que le noyau perde un proton ; or, en chimie, le noyau ne change pas : seuls les électrons, placés autour, sont échangés.

   Le cours le dit : un atome de sodium qui perdrait un proton deviendrait du néon, ce qui ne se produit pas en chimie.

5. 5.Construction : une réponse annoncée, des connecteurs logiques, une conclusion nette.

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   Exemple de conclusion : « L’ion $\mathrm{N}{\mathrm{a}}^{+}$ reste donc du sodium : il n’a changé que d’électrons, et il est seulement chargé. »

   La conclusion répond à la question posée ; les connecteurs (donc, or, car) rendent visible l’enchaînement des arguments.