Chim. N° 04

Structure des atomes. Exercices. Correction

 

Exercices 2005-2006

 Physique et Chimie  seconde 

Collection DURANDEAU   HaCHETTE

Exercice 1 page 256 Exercice 8 page 256
Exercice 2 page 256 Exercice 9 page 256
Exercice 3 page 256 Exercice 10 page 257
Exercice 5 page 256 Exercice 11 page 257
Exercice 6 page 256 Exercice 13 page 257
Exercice 7 page 256 Exercice 14 page 257

 

Anciens exercices

Physique et Chimie  seconde 

Collection Microméga   Hatier

Ancienne édition

Exercice 3 page 70

Exercice 13 page 70

Exercice 16 page 70

Exercice 20 page 70

Exercice 24 page 71

Exercice 31 page 72

 

Pour aller plus loin : 

Mots clés :

L'atome ; structure de l'atome ; le proton, le neutron et l'électron ; particules élémentaires ; l'élément chimique les isotopes ; le cortège électronique ; Principe de Pauli ; Règle de Klechkowski ; ...

 

 

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1)-  Exercice 1 page 256.

Soit une atome dont le noyau contient 16 neutrons et possède une charge totale :

 q = + 2,56 x 10 – 18  C.

  1. Quel est le numéro atomique du noyau ?
  2. Quel est son nombre de nucléons A ?
  3. Combien d’électrons comporte le cortège électronique ?

Donnée : La charge élémentaire e = + 1,6 x 10 19 C

 

1.      Numéro atomique de l’atome :

-          La charge portée par le noyau d’un atome est donnée par la relation suivante :

-         

-         c’est l’atome de soufre S.

2.      Nombre de nucléons (constituants du noyau) : c’est le nombre de protons Z plus le nombre de neutrons N :

-          A = Z  +  N  Þ    A = 16  +  16   Þ   A = 32

3.      Nombre d’électrons du cortège électronique :

-          Un atome est électriquement neutre, le nombre d’électrons E est égal au nombre de protons. Le proton et l’électron portent des charges opposées.

-          E = Z = 16

 

2)-  Exercice 2 page 256.

La plus grosse pépite d’or trouvée en France a une masse m = 543 g.
  1. évaluer la masse m Au d’un atome d’or (Z = 79 ; A = 197).
  2. Combien d’atomes d’or N contient cette pépite ?

Donnée : masse d’un proton : m p  =  1,67 x 10 27 kg.

 

 

1.      Masse d’un atome d’or :

-          La masse des électrons étant négligeable devant celle des protons et des neutrons et de plus la masse des protons étant voisine de celle des neutrons, on peut écrire que :

-          m Au  A . m p

-          m Au  197 x 1,67 x 10 – 27

-          m Au  3,29 x 10 25 kg

2.      Nombre d’atome que contient la pépite :

-         

 

 

3)-  Exercice 3 page 256.

On considère un atome d’hydrogène à notre échelle, en conservant les proportions ; le noyau de l’atome d’hydrogène est assimilé à une balle de tennis de rayon r = 3,3 cm.

Quel serait le rayon correspondant R attribué à l’atome ?

Données :

Le rayon d’un proton est r p =  1,2 x 10 15 m

celui de l’atome d’hydrogène r H =  53 x 10 12 m

 

 

 

Échelle microscopique

Notre échelle

Rayon correspondant R attribué à l’atome 

noyau

r p = 1,2 x 10 15 m

r = 3,3 cm

Atome

r H = 53 x 10 12 m

R

 

4)-  Exercice 5 page 256.

Soit un ion dont la charge est q ion = + 4,8 x 10 19 C . 

Son noyau contient 28 neutrons et a une charge q noyau = + 3,84 x 10 18 C .

  1. Quel est le numéro atomique du noyau ?
  2. Quel est son nombre de nucléons ?
  3. Combien d’électrons comporte le cortège électronique ?

Donnée : La charge élémentaire e = + 1,6 x 10 19 C

 

 

1.      Numéro atomique du noyau :

-            

-           l’élément est le chrome de symbole Cr

2.      Nombre de nucléons de cet atome :

-          Le nombre de nucléons A est égal au nombre de protons Z, plus le nombre de neutrons N :

-           A = Z  +  N   Þ   A =  24 + 28  Þ  A =  52

3.      Nombre d’électrons du cortège électronique :

-          Un ion provient d’un atome ayant gagné ou perdu un ou plusieurs électrons.

-          Ici, comme l’ion est chargé positivement, il provient d’un atome ayant perdu plusieurs électrons :

-          Nombre d’électrons perdu :

-           

-          Le cortège électronique comprend (24  -  3) électrons, c’est-à-dire 21 électrons.

-          L’ion obtenu est l’ion : Cr 3+

 

5)-  Exercice 6 page 256.

Le noyau d’une entité a une masse m = 5,51 x 10 – 26  kg et porte une charge électrique : 

q noyau = + 2,56 x 10 18 C .

Le cortège électronique comporte 18 électrons.

  1. Déterminer le numéro atomique Z et le nombre de nucléons A du noyau.
  2. S’agit-il d’un atome ou d’un ion ?

Donnée :

La charge élémentaire e = + 1,6 x 10 – 19 C ; 

masse d’un proton : m p  =  1,67 x 10 27 kg .

 

 

1)-  Détermination du numéro atomique Z et du nombre de nucléons A du noyau :

-          Nombre de protons du noyau :

-           

-          l’élément est le soufre de symbole S

-          Nombre de nucléons A du noyau : m noyau   A . m p

-         

2)-  Atome ou ion : L’atome étant électriquement neutre, le nombre de protons est égal au nombre d’électrons :

-          L’atome de soufre possède 16 électrons.

-          Dans le cas considéré, le cortège électronique contient 18 électrons. L’entité chimique considérée est un ion. Elle provient d’un atome ayant gagné 2 électrons, c’est l’ion sulfure S 2 .

 

 

6)-  Exercice 7 page 256. Rechercher l’élément commun.

1.      Quel est l’élément commun aux espèces suivantes :

-          Acide nitrique HNO3;  dioxyde d’azote NO2 ; ammoniac NH3

nitrate de cuivre II Cu(NO3)?

2.      Quel est l’élément commun aux espèces suivantes :

-          Glucose C6H12O6 ; acide nitrique HNO3; ammoniac NH3; sulfure de dihydrogène H2S ?

 

 

 

 

 Correction :

1.      L'élément commun aux espèces suivantes :

-          Acide nitrique HNO3,

-          le dioxyde d’azote NO2,

-          L’ammoniac NH3,

-          le nitrate de cuivre II Cu(NO3)2

-          est l’élément azote N.

2.      L’élément commun aux espèces suivantes :

-          Le glucose C6H12O6,

-          L’acide nitrique HNO3,

-          L’ammoniac NH3,

-          Le sulfure d’hydrogène H2S,

-          Est l’élément hydrogène H.

 

 

 

7)-  Exercice 8 page 256. Établir le diagramme de transformations de l’élément cuivre.

Compléter le diagramme suivant en choisissant parmi les espèces proposées :

-          Hydroxyde de cuivre II : Cu(OH)2 ; métal cuivre Cu

-          L’ion cuivre II Cu 2+ ; oxyde de cuivre II CuO

-          Métal cuivre Cu  +  acide nitrique HNO3    …………..     + monoxyde d’azote NO

-          Ion cuivre II Cu 2+  + métal fer Fe     …………   + ion fer II Fe 2+ 

à chaud 

 

-          Métal cuivre Cu   +  dioxygène  O2

……………………… 

 

à chaud 

 

-          Hydroxyde de cuivre II Cu(OH)2

………… …  +   H2O   

 

à chaud 

 

-          Oxyde de cuivre II CuO   +  carbone   C

………….+ dioxyde de carbone  CO2    

 

Correction :

-          Métal cuivre Cu  +  acide nitrique HNO3    L’ion cuivre II Cu 2+ + monoxyde d’azote NO

-          Ion cuivre II Cu 2+  + métal fer Fe     métal cuivre Cu   + ion fer II Fe 2+ 

à chaud

 

-      Métal cuivre Cu   +  dioxygène  O2

oxyde de cuivre II CuO 

 

à chaud

 

-      Hydroxyde de cuivre II Cu(OH)2

oxyde de cuivre II CuO   +   H2O   

 

à chaud 

 

-     Oxyde de cuivre II CuO  + carbone C

métal cuivre Cu + dioxyde de carbone  CO2 

 

8)-  Exercice 9 page 256. Identifier des isotopes.

On considère les atomes suivants caractérisés par le couple ( Z, A).

(14, 28) ; (7, 14) ; (27, 59) ; (13, 27) ; (14, 29) ; (7, 15).

  1. Combien d’éléments sont représentés ?
  2. Quels sont les isotopes ?

 

 

 

 

 Correction :

le couple (Z, A).

(14, 28) ; (7, 14) ; (27, 59) ; (13, 27) ; (14, 29) ; (7, 15).

1.      Nombre d’éléments représentés :

-          L’élément de numéro atomique Z = 7 : l’azote de symbole N

-          L’élément de numéro atomique Z = 13 : l’aluminium de symbole Al

-          L’élément de numéro atomique Z = 14 : le silicium de symbole Si

-          L’élément de numéro atomique Z = 27 : le cobalt de symbole Co

   

2.      Les isotopes :

-          (7, 14) ; (7, 15) :  l’azote 14    et l’azote 15 

-          (14, 28) ; (14, 29) : le silicium 28    et le silicium 29 

 

 

9)-  Exercice 10 page 257. Utiliser le symbole d’un élément.

1.      Parmi les symboles des éléments suivants, déterminer ceux qui sont incorrects. Les rectifier.

-          P ; PO ; hg ; Si ; co ; FE ; mg.

2.      Associer à chaque élément son symbole :

-          Éléments : carbone ; lithium, phosphore, plomb, chrome, iode, sodium, or, néon, étain.

-          Symboles : Li, Ne , Pb, Cr, C, Na, Sn, Au, P, I.

 

 

 Correction :

1.      Les symboles :

-          La première lettre est toujours une majuscule et la deuxième lettre est toujours une minuscule :

-          Symbole incorrect : PO que l’on remplace par Po : le polonium

-          Symbole incorrect : hg que l’on remplace par Hg : le mercure (Hydrargyrum)

-          Symbole incorrect : co que l’on remplace par Co : le cobalt

-          Symbole incorrect : FE que l’on remplace par Fe : le fer

-          Symbole incorrect : mg que l’on remplace par Mg : le magnésium

2.      élément et symbole :

Élément

Carbone

Lithium

Phosphore

Plomb

Chrome

Symbole

C

Li

P

Pb

Cr

Élément

iode

Sodium

Or

Néon

Étain

Symbole

I

Na

Au

Ne

Sn

 

 

 

10)-  Exercice 11 page 257. Déterminer la composition d’atomes.

 

Déterminer la composition (nombre de protons, de neutrons et d’électrons) des atomes

suivants :

-          58 Ni ; 9 Be ; 20 Ne ; 208 Pb ; 22 Ne ; 60 Ni ; 31 P ; 253 Fm ; 75 As ; 62 Ni ;       

-          Données :

-          Numéro atomique des éléments considérés :

-            Be : 4 ; Ne : 10 ; P : 15 ; Ni : 28 ; As : 33 ; Pb : 82 ; Fm : 100.           

 

 

Correction :

 

Élément

Nickel

Béryllium

Néon

Plomb

Néon

Symbole du noyau de l’atome

58

28

Ni

9

4

Be

20

10

Ne

208

82

Pb

22

10

Ne

Nombre de protons

Z

28

4

10

82

10

Nombre de masse

A

58

9

20

208

22

Nombre de protons

28

4

10

82

10

Nombre de neutrons

30

5

10

126

12

Nombre d’électrons

28

4

10

82

10

 

Élément

Nickel

Phosphore

Fermium

Astate

Nickel

Symbole du noyau de l’atome

60

28

Ni

31

15

P

253

100

Fm

75

33

As

62

28

Ni

Nombre de protons

Z

28

15

100

33

28

Nombre de masse

A

60

31

253

75

62

Nombre de protons

28

15

100

33

28

Nombre de neutrons

32

16

153

42

34

Nombre d’électrons

28

15

100

33

28

 

11)-  Exercice 13 page 257. Déterminer la structure électronique.

Déterminer la structure électronique des atomes et ions suivants dans leur état fondamental :

-          C (Z = 6) ; Ca2+ (Z = 20) ; Cl (Z = 17) ; K+ (Z = 19) ; Si (Z = 14)

 

 

Correction :

-          Structure électronique :

 

Symbole

C

Ca2+

Cl

K+

Si

Nature

atome

Ion (cation)

Ion (anion)

Ion (cation)

atome

Numéro atomique

6

20

17

19

14

Nombre de protons

6

20

17

19

14

Charge

0

+ 2

- 1

+ 1

0

Nombre d’électrons

6

18

18

18

14

Structure électronique

K (2)

L (4)

K (2)

L (8)

M(8)

K (2)

L (8)

M(8)

K (2)

L (8)

M(8)

K (2)

L (8)

M(4)

 

 

 

12)-  Exercice 14 page 257. Choisir la structure électronique du silicium.

1.       énoncer le principe de Pauli et le principe de construction.

2.       On considère l’atome de silicium (Z = 14) pour lequel on propose diverses formules électroniques : K (3) L (7) M(4) ; K (2) L (6) M(6) ; K (1) L (9) M(4) ; K (2) L (8) M(4) ; K (2) L (7) M(5).

a)- Quelles sont celles qui ne respectent pas le principe de Pauli ? Que peut-on dire des atomes correspondants ?

b)- Parmi les formules respectant le principe de Pauli, quelle est celle qui correspond à l’état fondamental de l’atome de silicium ? Quelle est la couche externe ? Combien d’électrons comporte-t-elle ?

Cellule solaire à base de silicium ;

 

 Correction :

1.      Principe de Pauli et principe de construction :

  -          Principe de Pauli :

-          chaque couche ne peut contenir qu’un nombre limité d’électrons.

-          La couche de rang n ne peut contenir que 2 n2 électrons.

-          Ainsi la couche K ne peut contenir au plus que : 2 électrons.

-          La couche L, 8 électrons,

-          Et la couche M, 18 électrons (en seconde, on se limite à 8 électrons sur la couche M).

-          Principe de construction :

-          Les électrons de l’atome remplissent progressivement les différentes couches électroniques.

-          Ils se placent d’abord dans la couche K,

-          Puis quand celle-ci est saturée à 2 électrons, ils remplissent la couche L.

-          Quand la couche L est saturée à 8 électrons, ils remplissent la couche M.

-          L’état de l’atome obtenu en utilisant ce principe de remplissage est appelé : l’état fondamental.

-          Remarque : Mais l’atome peut se trouver dans un état excité s’il reçoit une certaine énergie (exemple : les atomes de mercure sont excités par des décharges électriques dans les tubes fluorescents. lorsqu’ils retombent dans l’état fondamental, ils émettent de la lumière)

 

2.      Formule électronique :

a)- Les formules électroniques suivantes ne respectent pas le principe de Pauli :

-          K (3) L (7) M(4) : la couche K ne peut contenir au plus que 2 électrons.

-          K (1) L (9) M(4) : la couche L ne peut contenir au plus que 8 électrons.

-          Les atomes correspondants à ces structures ne peuvent pas exister.

b)- Les autres formules : K (2) L (6) M(6) ; K (2) L (8) M(4) ; K (2) L (7) M(5).

-          La formule suivante : K (2) L (8) M(4) correspond à l’état fondamental de l’atome de silicium. La couche externe est la couche M, elle comporte 4 électrons.

 

 

 

 

 

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Exercice 3 page 70

Exercice 13 page 70

Exercice 16 page 70

Exercice 20 page 70

Exercice 24 page 71

Exercice 31 page 72

 

I -Exercice 3 page 70 .

II - Exercice 13 page 70 .

III - Exercice 16 page 70.

IV - Exercice 20 page 70.

V - Exercice 24 page 71.

VI - Exercice 31 page 72.

 

I- Exercice 3 page 70.

Que représentent les lettres A et Z qui caractérisent un atome de symbole X ? 

Quel est le symbole du noyau de cet atome ?

 

-          La lettre A représente le nombre de masse, le nombre de nucléons, le nombre de (neutrons + de protons) du noyau d’un atome.

-          La lettre Z représente le nombre de charge, le nombre de protons du noyau d’un atome.

-     On l’appelle aussi le numéro atomique d’un atome. Il représente aussi le nombre d’électrons pour un atome.

-          Symbole du noyau de l’atome X :

A

Z

X

 

 

 

II- Exercice 13 page 70.

-          Déterminer la composition en protons, neutrons et électrons des atomes de fluor, phosphore, béryllium, chrome et sodium.

-     Symbole des noyaux respectifs :

Élément

Fluor

Phosphore

Béryllium

Chrome

Sodium

Symbole du noyau de l’atome

19

9

F

31

15

P

9

4

Be

51

24

Cr

23

11

Na

Nombre de protons

Z

         

Nombre de masse

A

         

Nombre de protons

         

Nombre de neutrons

         

Nombre d’électrons

         

 

 

-          Un atome est électriquement neutre.

-     Comme la charge portée par un proton est égale en valeur absolue et opposée à celle portée par un électron, le nombre de protons d’un atome est égal au nombre d’électrons(ceci pour un atome !).  

Élément

Fluor

Phosphore

Béryllium

Chrome

Sodium

Symbole du noyau de l’atome

19

9

F

31

15

P

9

4

Be

51

24

Cr

23

11

Na

Nombre de protons

Z

9

15

4

24

11

Nombre de masse

A

19

31

9

51

23

Nombre de protons

9

15

4

24

11

Nombre de neutrons

10

16

5

27

12

Nombre d’électrons

9

15

4

24

11

 

 

 

 

 

III- exercice  16 page 70.

Le noyau d’un atome porte une charge de 20,8 x 10 – 19 C. La masse de cet atome est de 45,9 x 10 – 27 kg.

a)-     Quel est le numéro atomique de cet atome ?

-          Relation donnant la charge électrique portée par le noyau d’un atome. La lettre e désigne la charge élémentaire :

-          Numéro atomique de l’atome.

b)-     combien de nucléons comporte-t-il ?

-          La masse d’un atome est sensiblement égale à la masse de son noyau car la masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons.

-     D’autre part, la masse les neutrons est voisine de celle des protons.

-          On peut utiliser la relation approchée suivante  : m A » A .  m n

-          Nombre de nucléons de cet atome :

c)-     déduire des questions a)- et b)- les nombres de protons, de neutrons et d’électrons de cet atome.

d)-     Donner son nom et son symbole.

 

 

Correction 

a)-     Numéro atomique de cet atome : 

-          Le numéro atomique d’un atome représente son nombre de protons.

-     Connaissant la charge du noyau de l’atome et la charge portée par un proton, on peut en déduire le nombre de protons présents dans le noyau de l’atome :

-          Relation donnant la charge électrique portée par le noyau d’un atome. La lettre e désigne la charge élémentaire :

-       q = Z . e

-          Numéro atomique de l’atome.

-         

b)-     Nombre de nucléons : 

-          Relation approchée suivante  : m A » A .  m n

-          Nombre de nucléons de cet atome :

-         

c)-     Nombres de protons, de neutrons et d’électrons de cet atome.

-          Nombre de protons : Z = 13.

-          Nombre de neutrons : A Z = 14

-          Nombre d’électrons de l’atome : Z = 13.

d)-     Nom et symbole.

-          Il s’agit de l’aluminium de symbole Al.  Symbole du noyau : 

27

13

Al

 

 

 

 

IV- Exercice 20 page 70.

a)-     Donner la charge en unité de charge élémentaire (e) des ions suivants : H + ; F - ; Fe 3+  ; O 2-

Ion

H +

F -

Fe 3+

O 2-

Charge en e

       

Charge en C

       

b)-     Exprimer ces charges en coulomb.

-          Voir le tableau au-dessus.

c)-     Préciser pour chacun des ions, son nombre de protons, de neutrons et d’électrons.

 

Ion

H +

F -

Fe 3+

O 2-

Symbole du noyau

       

Nombre de protons de l’ion

       

Nombre de neutrons de l’ion

       

Nombre d’électrons de l’ion

       

 

 

a)-     Charge en unité de charge élémentaire (e) des ions suivants : H + ; F - ; Fe 3+  ; O 2-

-          L’ion hydrogène H + provient d’un atome d’hydrogène ayant perdu 1 électron.

-          L’ion fluorure F -  provient d’un atome de fluor ayant gagné 1 électron.

-          L’ion fer III Fe 3+ provient d’un atome de fer ayant perdu 3 électrons.

-          L’ion oxygène O 2- provient d’un atome d’oxygène ayant gagné 2 électrons.

Ion

H +

F -

Fe 3+

O 2-

Charge en e

+ e

- e

+ 3 e

- 2 e

Charge en C

1,6 x 10 19

- 1,6 x 10 19

4,8 x 10 19

- 3,2 x 10 19

b)-     Charges en coulomb.

-          Voir le tableau au-dessus.

c)-     Formule,  nombre de protons, de neutrons et d’électrons.

 

Ion

H +

F -

Fe 3+

O 2-

Symbole du noyau

1

1

H

19

9

F

56

26

Fe

16

8

O

Nombre de protons de l’ion

1

9

26

8

Nombre de neutrons de l’ion

0

10

30

8

Nombre d’électrons de l’ion

1 – 1 = 0

9 + 1 = 10

26 – 3 = 23

8 + 2 = 10

 

 

 

 

 

 

V- Exercice 24 page 71.

On chauffe un tube à essais contenant une poudre noire formée d’un mélange d’oxyde de cuivre II Cu O et de carbone C.

Le tube à essais est muni d’un tube à dégagement plongeant dans de l’eau de chaux. 

On observe un dépôt brillant rougeâtre dur les parois du tube à essais et le trouble de l’eau de chaux.

a)-     Légender le schéma ci-dessous.

Dégagement gazeux de dioxyde de carbone Dépôt brillant rougeâttre de cuivre solide Tube à essais

b)-     Quels sont les éléments chimiques présents dans les espèces chimiques initialement introduites ? 

Préciser leur nom et leur formule.

c)-     En déduire les éléments chimiques présents dans les espèces chimiques produites par la transformation chimique ?

 Justifier la réponse.

d)-     Identifier les produits formés en utilisant les résultats de la question c)- et les renseignements donnés au début de l’exercice.

 

a)-     Légende :

Dégagement gazeux de dioxyde de carbone Dépôt brillant rougeâttre de cuivre solide Tube à essais

-          (1)   Tube à essais (poudre noire)

-          (2)      dépôt brillant rougeâtre dur (cuivre solide Cu)

-          (3)     Dégagement gazeux de dioxyde de carbone (C O 2).

b)-     Éléments chimiques présents dans les espèces chimiques initialement introduites : nom et formule.

-      Dans l’espèce chimique oxyde de cuivre Cu O, il y a l ‘élément cuivre Cu et l’élément oxygène O.

-      L’espèce chimique carbone est constituée exclusivement de l’élément carbone.

c)-     Éléments chimiques présents dans les espèces chimiques produites par la transformation chimique ?

-      Dans les produits de la transformation chimique, on trouve l’élément carbone C, l’élément cuivre Cu et l’élément oxygène O.

-      Car au cours d’une transformation chimique, les éléments chimiques se conservent.

d)-     Identification produits formés 

-      Le dégagement gazeux qui provoque le trouble de l’eau de chaux est du dioxyde de carbone (C O 2).

-      Le dépôt brillant rougeâtre dur  est du cuivre métallique (cuivre solide Cu)

 

 

VI- Exercice 31 page 72. Particules constituant le noyau.

-          Compléter le tableau suivant :

Symbole de l’atome ou de l’ion

Symbole du noyau

Charge

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Nombre d’électrons

B

 

 

 

6

5

 

 

 

14

14

14

Mg 2+

25

12

Mg

 

 

 

 

 

35

17

Cl

- e

 

 

 

 

 

+ 3 e

 

30

23

-          Réponse :

Symbole de l’atome ou de l’ion

Symbole du noyau

Charge

Nombre de protons

Nombre de neutrons

Nombre d’électrons

B

11

5

B

0

5

6

5

Si

28

14

Si

0

14

14

14

Mg 2+

25

12

Mg

+ 2 e

12

13

10

Cl – 

35

17

Cl

- e

17

18

18

Fe 3+

56

26

Fe

+ 3 e

26

30

23