CHAPITRE 2 MODÉLISATION DE LA MATIÈRE À L ...physicus.free.fr/seconde-2019/pdf/2D-PC-CHAP_02...1...

2e Physique chimie

CHAPITRE 2

MODÉLISATION DE LAMATIÈRE À L’ÉCHELLE

MICROSCOPIQUE

EXERCICES

Wulfran Fortin et Catherine Trapp

Liste des exercices

1 Du macroscopique au microsco-pique

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8

Exercice 9

Exercice 10

Exercice 11

Exercice 12

Exercice 13

Exercice 14

2 L’atome

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8

Exercice 9

Exercice 10

Exercice 11

3 Cortège électronique de l’atome

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8

Exercice 9

Exercice 10

Exercice 11

Exercice 12

Exercice 13

Exercice 14

4 Vers des entités plus stables

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

Exercice 8

Exercice 9

Exercice 10

Exercice 11

Exercice 12

Exercice 13

5 Compter les entités

Exercice 1

Exercice 2

Exercice 3

Exercice 4

Exercice 5

Exercice 6

Exercice 7

1 Du macroscopique aumicroscopique

1 DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUE

Exercice 1

Énoncé

a. Donner la définition d’une espècechimique.b. Donner des exemples d’espèce chimique.c. Donner la définition d’une entité chimique.d. Donner des exemplesd’entité chimique.

Correction

Voir le cours pour les quatre questions.

Exercice 2

Énoncé

a. Si on a 6 charges positives, combien decharges négatives faut-il ajouter pour avoirla neutralité ?b. Si on a 6 charges positives, combien decharges négatives faut-il ajouter pour avoirune charge finale de +1 ?c. Si on a 6 charges positives, combien decharges négatives faut-il ajouter pour avoirune charge finale de −3 ?d. Si on a la neutralité électrique, combiende charges négatives faut-il ôter pour avoirune charge finale de +2 ?e. Si on a 6 charges positives, combien decharges négatives faut-il ajouter pour avoirune charge finale de +1 ?

Correction

a. Il faut 6 charges négatives pour neutrali-ser les 6 charges positives

6 + 6⊕ = 0

b. Il faut 5 charges négatives

5 + 6⊕ = 1⊕

c. Il faut 9 charges négatives

9 + 6⊕ = 3

d. Il faut retirer 2 charges négatives.e. Il faut retirer 5 charges négatives.

Exercice 3

Énoncé

Pour chaque formule suivante, indiquer si ils’agit d’une molécule, d’un atome, d’un ca-tion ou d’un anion.Liste des formulesC , O, CO, CO2, Co, NH+4 , NH3, H2O,H3O+, HO−, Na+, Na, Cl2, Cl−, Cl, N2,B, SO2−

4 , NaOH , CH3COO−, CH3COOH ,HCN , CN−, F−, U , O2, H2, HCl et CO2−

Correction

Atomes :C , O, Co, Na, Cl, B, U .Molécules :CO , CO2, NH3, H2O, Cl2, N2, NaOH ,CH3COOH , HCN , O2, H2, HCl.Cations :NH+4 , H3O+, Na+

Anions : HO−,Cl−, SO2−

4 , CH3COO−, CN−, F−,CO2−

Exercice 4

Énoncé

Les espèces chimiques suivantes sont dessels, c’est à dire des solides, formés parl’empilement régulier d’anions et de cations.Les sels sont neutres électriquement.Donnez à chaque fois la formule statistiquedu cristal formé à partir des anions et ca-tions du tableau 1.

1 DU MACROSCOPIQUE AU MICROSCOPIQUEN

O2− 3

2− 4N

NO− 3

Correction

Chlorure de sodium NaClIodure de potassium KIChlorure de fer III FeCl3Carbonate de sodium Na2CO3Sulfate de baryum BaSO4Nitrate de potassium KNO3

Exercice 5

Énoncé

Une molécule d’eau H2O occupe le volumed’un cube de 0.31 nm d’arête. Cette molé-cule a une masse de 3.00× 10−26 kg.a. Calculez le volume occupé par une molé-cule d’eau en nm3.b. Calculez le volume occupé par une molé-cule d’eau en m3.c. Combien de molécules d’eau sontprésentes dans 1 m3 d’eau ?d. Calculez la masse totale de ces molé-cules occupant 1 m3.

Correction

a. L’arrête du cube occupé par une moléculed’eau fait a = 0.31 nm donc le volume ducube est V = a × a × a = (0.31 nm)3 =3.0× 10−2 nm3.b. On convertit en mètre la longueur de l’ar-rête du cube puis on calcule son volume a =0.31 nm= 0.31×10−9 m et donc V = a =3.0× 10−29 m3.c. Dans 1 m3, on peut trouver unnombre N = 1 m3

3.0×10−29 m3 = 3.4 × 1028 decubes élémentaires contenant une moléculed’eau.d. Comme une seule molécule a unemasse de 3.00×10−26 kg, la masse totalede N molécules sera Mtotale = N × 3.00×10−26 kg = 3.4×1028×3.00×10−26 kg =1000 kg.

Exercice 6

Énoncé

D’après Hachette (2019).Le chlorure de fer (III) est une espèce chi-mique constituée d’ions fer (III) Fe3+ etd’ions chlorure Cl−.Donner la formule chimique du chlorure defer (III).

Correction

D’après l’électro-neutralité de la matière, ilfaudra 3 ions chlorures pour un ion fer (III)soit comme formule du chlorure de fer (III)FeCl3.

Exercice 7

Énoncé

D’après Hachette (2019).Le chlorure de calcium est un solide consti-tué d’ions calcium Ca2+ et d’ions chlorureCl−.Justifier sa formule chimique CaCl2.

Correction

Il faut 2 ions chlorures pour un ion calciumpour respecter l’électro-neutralité de la ma-tière.

Exercice 8

Énoncé

D’après Belin (2019).

Figure 1 – Bécher contenant de la poudre de feret de l’acide chlorhydrique

De la poudre de fer est mélangée à une so-lution d’acide chlorhydrique (schéma 1.a. Nommer les entités contenues dans lapoudre de fer.b. Parmi les deux entités ioniques, laquelle

est un anion ?c. Quelle espèce chimique, non mentionnéesur le schéma, est également présente dansle bécher ?

Correction

a. La poudre de fer est constituée d’atomede fer.b. L’anion est une espèce chargée négative-ment soit les ions chlorures Cl−.c. L’espèce chimique non mentionnée estl’eau qui est le solvant de l’acide chlorhy-drique.

Exercice 9

Énoncé

D’après Belin (2019).Un ion sulfure est formé à partir d’un atomede soufre qui a gagné deux électrons. Union zinc est formé à partir d’un atome dezinc qui a perdu deux électrons.a. Donner les formules des deux ions citésci-dessus.b. Identifier l’anion.

Correction

a. L’atome soufre est électriquement neutre,s’il gagne deux électrons il devient négatifsoit S2−. L’atome de zinc est électriquementneutre, s’il perd deux électrons il devient po-sitif soit Zn2+.b. L’anion est l’ion négatif soit l’ion soufreS2−.

Exercice 10

Énoncé

D’après Magnard (2019).a. Donner la nature (atome, ion ou molé-cule) des entités modélisées ci-dessous : b.

Figure 2 – Modèle moléculaire. Le rouge estl’oxygène, le blanc l’hydrogène, le bleu l’azote, etle noir le carbone

Donner les noms et les formules des es-pèces chimiques correspondantes.

Correction

a. (a) molécule, (b) molécule, (c) molécule,(d) molécule.b. (a) Eau H20,(b) Dioxyde de carboneCO2, (c) Diazote N2, (d) Dihydrogène H2.

Exercice 11

Énoncé

D’après Magnard (2019).Le lithium utilisé notamment dans la fabri-cation d’accumulateurs pour appareils por-tables est obtenu à partir du chlorure de li-thium. Le chlorure de lithium est forméd’ions chlorures Cl˘ et d’ions lithium Li+.a. Ces ions sont-ils monoatomiques ou po-lyatomiques ?b. Donner la charge électrique q portée parl’ion chlorure.c. Écrire la formule du chlorure de lithium.

Correction

a. Les deux ions sont des ions monoato-mique car constitué d’une seule espèce chi-mique.b. L’ion chlorure possède un électron en ex-cès soit une charge électrique négative devaleur q = −e = −1, 6× 10−19 C .c. Pour respecter l’électro-neutralité de lamatière, il faut un ion chlorure pour un ionlithium soit une formule de LiC l.

Exercice 12

Énoncé

D’après Magnard (2019).Un médicament administré pour soigner desrhinites et des rhinopharyngites est une so-lution constituée d’ions sulfures S2− etd’ions sodium Na+.Donner le nom et la formule du composé io-nique constituant le soluté solide mis en so-lution.

Correction

Afin de respecter l’électro-neutralité de lamatière, il faut deux ions sodium Na+ et union sulfure S2− pour constituer le solide io-nique de formule Na2S et de nom sulfure desodium.

Exercice 13

Énoncé

D’après Magnard (2019).Écrire les formules des composés ioniquessuivants :a. un constituant des stalactites et stalag-mites, le carbonate de calcium formés d’ionsCa2+ et d’ions CO2−

3 .b. la rouille qui peut être représentée parl’oxyde de fer III formé d’ions fer Fe3+ etO2−.c. le bicarbonate de sodium, qui diminuel’acidité de l’estomac, formé d’ions hydrogé-nocarbonate HCO−3 et d’ions sodium Na+.d. le produit de la corrosion du cuivre ou hy-droxycarbonate de cuivre formé d’ionsCO2−

3 , Cu2+ et HO−.

Correction

a. CaCO3b. Fe2O3c. NaHCO3d. Cu2(HO)2CO3

Exercice 14

Énoncé

D’après Magnard (2019).Donner les noms de composés ioniquesa. le fongicide de formule Cu(OH)2.b. la magnésie blanche, utilisée par les gym-nastes de formules M gCO3.c. la soude, un déboucheur de canalisationsde formule NaOH .d. le sel de fer, un anti-mousse pour gazonset fruitiers de formule FeSO4.

Correction

a. Hydroxyde de cuivre.b. carbonate de magnésium.c. hydroxyde de sodium.d. sulfate de fer II.

2 L’atome

2 L’ATOME

Exercice 1

Énoncé

a. Donner l’ordre de grandeur de la tailled’un atome.b. Comparer la taille d’un atome avec lataille de son noyau.c. Comparer la masse d’un atome de car-bone 12 avec la masse de son noyau. Lecarbone 12 est composé de 6 électrons, de6 protons et de 6 neutrons.

2 L’ATOME

Correction

a. Pour un atome, l’ordre de grandeur de sataille est de

0.1 nm= 0.1× 10−9 m

b. On divise l’ordre de grandeur de la tailledu noyau par l’ordre de grandeur de la taillede l’atome

rapport=taille noyau

taille atome

=1× 10−15 m1× 10−10 m

= 1× 10−5

L’atome est 1 × 105 = 100 000 fois plusgrand que le noyau.c. La masse de l’atome correspond à lasomme de la masse de ses 6 protons, ses6 neutrons et de ses 6 électrons

matome = 6×mproton

+ 6×mneutron

+ 6×mélectron

2 L’ATOME

matome = 6× 1.67× 10−27

+ 6× 1.67× 10−27

+ 6× 9.11× 10−31

= 2.0045466× 10−26 kg

La masse du noyau est la somme le lamasse des neutrons et des protons

matome = 6× 1.67× 10−27

+ 6× 1.67× 10−27

= 2.00× 10−26 kg

= 2.004× 10−26 kg

Le rapport des deux masses est

2.0045466× 10−26 kg2.0040× 10−26 kg

= 1.000

les deux masses sont quasiment identiques,la masse de l’atome est essentiellement lamasse du noyau, la masse des électrons estnégligeable par rapport à celle du noyau.

2 L’ATOME

Exercice 2

Énoncé

Indiquer l’écriture conventionnelle desnoyaux suivants à partir de leur compositionen neutron et protons.Voir tables 2 et 3 .

2 L’ATOME

uxd’

2 L’ATOME

uxd’

2 L’ATOME

Correction11H , 2

1D, 31T , 3

2He, 42He, 9

4Be, 105 B, 12

6 C , 136 C ,

168 O, 18

2 L’ATOME

Exercice 3

Énoncé

Donner la composition d’un noyau àpartir de son écriture conventionnellepour les éléments suivants :11H, 35

17Cl, 3717Cl, 235

92 U, 23892 U, 15

7 N, 13556 Ba,

13656 Ba, 136

54 Xe, 8436Kr, 27

2 L’ATOME

Correction

Voir table 4.

Symbole Proton Neutron11H 1 0

3517Cl 17 183717Cl 17 2023592 U 92 14323892 U 92 146157 N 7 8

13556 Ba 56 7913656 Ba 56 8013654 Xe 54 828436Kr 36 482713Al 13 14

Table 4 – Composition du noyau de différents élé-ments

2 L’ATOME

Exercice 4

Énoncé

D’après Magnard (2019).Du fait de leurs très petites tailles, il est trèsdifficile de se représenter un atome et sonnoyau. On peut effectuer des comparaisonspour se rendre compte de la structure lacu-naire de l’atome.a. Quelle serait la taille du noyau de l’atomed’hydrogène si l’atome avait la taille de laTerre ?b. Quelle serait la taille de l’atome d’hydro-gène si son noyau avait la taille d’un ballonde football ?c. Comparer cette taille avec la taille dustade de France.d. Commenter vos résultats.Données :

— Rayon de l’atome d’hydrogène R =25 pm

2 L’ATOME

— Rayon du noyau de l’atome d’hydro-gène r = 0,84 f m

— Rayon de la Terre RT = 6400 km— Diamètre d’un ballon de football

DB = 22 cm— Longueur du stade de France L =

270 m depuis le haut des gradins

2 L’ATOME

Correction

a. Le rayon de la Terre doit être convertit enmètre

RT = 6400 km= 6400000 m

doncRT = 6, 400× 106 m

Le rayon de l’atome d’hydrogène doit êtreconvertit en mètre

R= 25 pm= 25× 10−12 m

On peut alors calculer le rapport des rayons

6, 4× 106

25× 10−12= 2, 57× 1017

Il faudrait donc agrandir le noyau d’hydro-gène de 2, 57× 1017.De même le noyau sera agrandi dans lamême proportion et il aura comme rayon

2,57× 1017 × 0,84× 10−15 = 215 m

2 L’ATOME

b. Même raisonnement, le rayon du ballonde football est égal au diamètre divisé pardeux donc Rballon = 0, 11 m. Le rayon dunoyau r = 0,84 f m = 0, 84× 10−15 m etdonc

Rballon

0, 110, 84× 10−15

= 1,31× 1014

L’atome sera donc agrandi de 1,31 × 1014

soit un rayon de

1, 31× 1014 × 25× 10−12 = 3275 m

.c. Cette taille est plus de 10 fois plus grandeque le stade de France.d. Entre le noyau et le cortège électroniqueil y a du vide, c’est le caractère lacunaire dela matière !

2 L’ATOME

Exercice 5

Énoncé

D’après Magnard (2019).Comparer la masse d’un atome d’or à celuide son noyau. Le cortège électronique del’atome d’or comporte 79 électrons.La masse de l’atome vaut m1 = 3,29 ×10−25 kg.a. Calculer la masse m2 du cortège électro-nique de l’atome de d’or.b. Calculer le quotient m1

c. Que peut-on en conclure ?Donnée : la masse d’un électron est me =9, 11× 10−31 kg.

2 L’ATOME

Correction

a. La masse du cortège électronique vautm1 = 79 × me = 79 × 9,11 × 10−31 =7, 20× 10−29 kg.

b. Le quotient vaut 3,29×10−25

7,20×10−29 = 4569.c. L’atome est environ 4600 fois plus lourdque le cortège électronique, la masse estdonc concentrée dans le noyau.

2 L’ATOME

Exercice 6

Énoncé

D’après Magnard (2019).Identifier la particulea. Ma charge est négative et je suis en mou-vement autour du noyau.b. Ma masse est la même que celle d’unproton, mais je suis différent.c. Je me situe dans le noyau mais je suischargé.d. Je suis dans la partie de l’atome où estconcentrée la masse.

2 L’ATOME

Correction

a. Électronb. Neutronc. Protond. Nucléon (neutron ou proton)

2 L’ATOME

Exercice 7

Énoncé

D’après Magnard (2019).Déterminer les charges électriques dunoyau d’oxygène. L’atome d’oxygènecontient huit charges positives.a. Où se trouvent les charges positives ?b. Donner la valeur q de la charge globaleen fonction de e, puis faire le calcul numé-rique.c. Pourquoi l’atome est-il électriquementneutre alors qu’une partie de l’atome estchargée positivement ?Donnée : la charge élémentaire vaut e =1, 6× 10−19 C .

2 L’ATOME

Correction

a. Les charges positives sont dans le noyaude l’atome.b. q = 8× e = 8× 1, 6× 10−19 = 1,28×10−18 C .c. L’atome est électriquement neutre car ilcomporte autant de protons chargés positi-vement (+e) que d’électrons chargés néga-tivement (−e).

2 L’ATOME

Exercice 8

Énoncé

D’après Magnard (2019).Donner la composition du noyau de l’atomede cuivre.Le cuivre est un très bon conducteur de lachaleur et du courant électrique. Le métalcuivre est constitué d’atomes.Un atome de cuivre est composé de 63 nu-cléons et de 29 électrons.a. Donner le nombre de protons et de neu-trons composant le noyau de l’atome decuivre.b. Établir l’écriture conventionnelle dunoyau.c. Donner la valeur de la charge q du noyauen fonction de la charge élémentaire e, puisfaire le calcul numérique.Donnée : La charge élémentaire vaut e =1, 6× 10−19 C .

2 L’ATOME

Correction

a. Le nombre protons est identique aunombre d’électrons donc il vaut 29.Le nombre de neutrons est égal aunombre de nucléons auquel on ôte lenombre de protons donc 63− 29= 34.b. 63

29Cu.c. q = 29× e = 29×1,6×10−19 = 4, 64×10−18 C .

2 L’ATOME

Exercice 9

Énoncé

D’après Magnard (2019).Identifier un anion. Un ion est porteur de lacharge q = −2e. Les protons qui consti-tuent son noyau portent une charge globaleq = 2, 56× 10−18 C .Donnée : la charge élémentaire vaut e =1, 6× 10−19 C .Choisir dans la liste suivante l’élément dontil s’agit et écrire la formule de l’ion

Ar : Z = 18

K : Z = 19

Ca : Z = 20

Cl : Z = 17

S : Z = 16

2 L’ATOME

Correction

Le nombre de protons est obtenu en divisantla charge globale du noyau par la chargeélémentaire e soit

2,56× 10−18

1,6× 10−19= 16

L’élément considéré est donc le soufre S.L’ion porte un excès de charge de −2e, ona comme formule pour l’ion S2−.

2 L’ATOME

Exercice 10

Énoncé

D’après Magnard (2019).Identifier un cation. Un ion est porteur de lacharge +e. Le cortège électronique qui en-toure son noyau porte une charge globaleq = −1,60× 10−18 C .Choisir dans la liste suivante l’élément dontil s’agit et écrire la formule de l’ion

Ar : Z = 10

F : Z = 9

O : Z = 8

Na : Z = 11

M g : Z = 12

2 L’ATOME

Correction

Le nombre d’électrons est obtenu en divi-sant la charge globale du cortège par lacharge élémentaire e soit

−1,60× 10−18

−1, 6× 10−19= 10

L’ion porte un excès de charge de +e, il adonc un excès d’un proton. Le nombre deprotons est donc de 10+1= 11. Il s’agit del’élément sodium Na.L’ion a pour formule Na+.

2 L’ATOME

Exercice 11

Énoncé

D’après Magnard (2019).Déterminer la composition du noyau. Repro-duire et compléter le tableau suivant 5.

2 L’ATOME

C24 12

56 26Fe

ns Tabl

2 L’ATOME

Correction

Voir le tableau 6.

2 L’ATOME

C24 12

56 26Fe

3 Cortège électronique del’atome

3 CORTÈGE ÉLECTRONIQUE DE L’ATOME

Exercice 1

Énoncé

On donne la configuration électronique desdeux éléments suivantsBe :1s22s2

Mg :1s22s22p63s2.Sont-ils dans la même ligne ou la même co-lonne du tableau périodique ?

Correction

Le béryllium a comme structureélectronique

Be :1s22s2

ses électrons se répartissent sur lescouches 1 et 2, il appartient à la deuxièmeligne (couche 2). Sur sa dernière coucheremplie, il y a en tout 2 électrons, il est doncdans la deuxième colonne.L’élément magnésium

Mg :1s22s22p63s2

a des électrons sur les couches 1, 2 et 3,il est donc sur la troisième ligne du tableaupériodique. Sur sa dernière couche remplie(la 3) il possède en tout 2 électrons, il estdonc dans la deuxième colonne du tableaupériodique.Ces deux éléments appartiennent à lamême famille chimique, ils sont dans lamême colonne du tableau périodique.

Exercice 2

Énoncé

On donne la configuration électronique desdeux éléments suivantsNa :1s22s22p63s1

Al :1s22s22p63s23p1.Sont-ils dans la même ligne ou la même co-lonne du tableau périodique ?

Correction

Na :1s22s22p63s1 a trois couches électro-niques et 1 électron sur la dernière couche,il est sur la 3eligne du tableau et dans la1recolonne.Al :1s22s22p63s23p1 a trois couchesélectroniques et 2 + 1 = 3 électrons sur ladernière couche, il est sur la 3eligne du ta-bleau et dans la 13ecolonne.Ces deux éléments sont sur la même ligne

Exercice 3

Énoncé

On donne la configuration électronique desdeux éléments suivantsAr :1s22s22p63s23p6

He :1s2.Sont-ils dans la même ligne ou la même co-lonne du tableau périodique ?

Correction

Ar :1s22s22p63s23p6 possède 3 couches. ilest sur la 3eligne et 2 + 6 = 8 électrons, ilest sur la 18ecolonne.He :1s2 ne possède qu’une seule couche, ilest sur la 1religne et 2 électrons sur sa der-nière couche, il est dans la 18ecolonne.Ces deux éléments sont de la même famillechimique, ils sont dans la même colonne.

Exercice 4

Énoncé

On donne la configuration électronique desdeux éléments suivantsF :1s22s22p5

Cl :1s22s22p63s23p5.Sont-ils dans la même ligne ou la même co-lonne du tableau périodique ?

Correction

F :1s22s22p5 ligne 2 et colonne 17.Cl :1s22s22p63s23p5 ligne 3 et colonne 17.Ces deux éléments sont dans la même co-lonne, ils sont de la même famille chimique.

Exercice 5

Énoncé

L’élément inconnu X a pour structureélectronique 1s22s2.Dans quelle ligne et quelle colonne du ta-bleau de la classification périodique doit-ilêtre ?En utilisant la classification périodique trou-ver alors le nom et le symbole de cet élé-ment.

Correction

Cet élément a deux couches, il est dans la2eligne.Sur sa dernière couche, il y a en tout 2 élec-trons il est dans la 2ecolonne.Il s’agit du Béryllium : 4Be.

Exercice 6

Énoncé

L’élément inconnu X a pour structureélectronique 1s22s22p4.Dans quelle ligne et quelle colonne du ta-bleau de la classification périodique doit-ilêtre ?En utilisant la classification périodique trou-ver alors le nom et le symbole de cet élé-ment.

Correction

Cet élément a deux couches, il est dans la2eligne.Sur sa dernière couche, il y a en tout

2+ 4= 6

électrons il est dans la 16ecolonne.Il s’agit de l’oxygène : 8O.

Exercice 7

Énoncé

L’élément inconnu X a pour structureélectronique 1s22s22p63s1.Dans quelle ligne et quelle colonne du ta-bleau de la classification périodique doit-ilêtre ?En utilisant la classification périodique trou-ver alors le nom et le symbole de cet élé-ment.

Correction

Cet élément a trois couches, il est dans la3eligne.Sur sa dernière couche, il y a en tout 1 élec-tron il est dans la 1recolonne.Il s’agit du sodium : 11Na.

Exercice 8

Énoncé

Donner le nombre d’électrons de valence àpartir de leur configuration électronique pourles éléments des sept questionsprécédentes.

Correction

On compte les électrons sur la dernièrecouche remplie de l’atome

— Be :1s22s2

il y a 2 électrons de valence— Mg :1s22s22p63s2

il y a 2 électrons de valence— Na :1s22s22p63s1

il y a 1 électron de valence— Al :1s22s22p63s23p1

il y a 3 électrons de valence— Ar :1s22s22p63s23p6

il y a 8 électrons de valence— He :1s2

il y a 2 électrons de valence— F :1s22s22p5

il y a 7 électrons de valence— Cl :1s22s22p63s23p5

il y a 7 électrons de valence

Exercice 9

Énoncé

Indiquer le nombre d’électrons de valencepour les éléments de chaque colonne du ta-bleau périodique.

Correction

Après la 2ecolonne, il y a un décrochage de10 colonnes avant d’atteindre le bloc p. Ilexiste en effet une sous couche d qui seremplie avec 10 électrons à partir de la4eligne.

Colonne Électrons de valence1 12 2

13 314 415 516 617 718 8

Exercice 10

Énoncé

Dans quelle colonne se trouve la famille desgaz nobles et combien d’électrons ont-ils surleur couche de valence ?

Correction

La dernière colonne, la 18e, est celle desgaz nobles dont la dernière couche est satu-rée, c’est à dire qu’elle est totalement rem-plie d’électrons.L’hélium He a 2 électrons sur sa couche devalence, et les autres atomes 8 électrons, 2sur la sous couche s et 6 sur la sous couchep.

Exercice 11

Énoncé

L’atome de lithium a pour configuration élec-tronique dans son état fondamental 1s22s1.a. Quel est le gaz noble qui le précède dansla table périodique des éléments ? Vousdonnerez la configuration électronique de cegaz noble.b. Quel est le gaz noble qui le succède dansla table périodique des éléments ? Vousdonnerez la configuration électronique de cegaz noble.c. Quel est le gaz noble le plus proche dulithium dans la classification ?d. Le lithium va-t-il facilement perdre ou ga-gner un électron pour ressembler à ce gaznoble ?e. Écrire la structure électronique del’ion formé et donner sa formule.

Correction

a. Le lithium est précédé par l’hélium

He :1s2

b. Le gaz noble qui succède au lithium dansla classification périodique est le néon

Ne :1s22s22p6

c. L’hélium.d. Il est plus simple de perdre 1 électron qued’en gagner 7.e. Li+ : 1s2.

Exercice 12

Énoncé

Mêmes questions qu’à l’exercice précédent,pour les atomes Mg, Al, O, F et Cl.

Correction

Pour le magnésium Mg :1s22s22p63s2

— Ne :1s22s22p6

— Ar :1s22s22p63s23p6

— le néon— perte de 2 électrons— Mg2+ : 1s22s22p6

Pour l’aluminium Al :1s22s22p63s23p1

— Ne :1s22s22p6

— Ar :1s22s22p63s23p6

— le néon— perte de 3 électrons— Al3+ : 1s22s22p6

Pour l’oxygène O :1s22s22p4

— He :1s2

— Ne :1s22s22p6

— le néon— gain de 2 électrons— O2− : 1s22s22p8

Pour le fluor F :1s22s22p5

— He :1s2

— Ne :1s22s22p6

— le néon— gain de 1 électron— F− : 1s22s22p8

Pour le chlore Cl :1s22s22p63s23p5

— Ne :1s22s22p6

— Ar :1s22s22p63s23p6

— l’argon— gain de 1 électron— Cl− : 1s22s22p83s23p8

Exercice 13

Énoncé

Donner le nom des ions à partir de leur for-mule chimique pour Cl− et F−.

Correction

Cl− ion chlorure et F−ion fluorure.

Exercice 14

Énoncé

Écrire la formule chimique des ions— sodium I— potassium I— calcium II— magnésium II— hydrogène I

Correction

Nom Formulechimique

sodium I Na+

potassium I K+

calcium II Ca2+

magnésium II Mg2+

hydrogène I H+

4 Vers des entités plus stables

4 VERS DES ENTITÉS PLUS STABLES

Exercice 1

Énoncé

D’après Belin 2019.La fluorine est un assemblage ionique pé-riodique contenant des ions calcium et fluo-rure.a. Donner la formule de ces ions.b. Nommer et donner la formule du cristalionique.

Correction

a. Ions chlorure F− car l’atome de fluor a7 électrons de valence. Ions Calcium Ca2+

car l’atome de calcium a 2 électrons de va-lence.b. Pour respecter l’électro-neutralité du cris-tal il faut deux ions fluorure pour un ion ioncalcium, soit une formule pour le fluorure decalcium CaF2.

Exercice 2

Énoncé

D’après Belin 2019.L’indium In est un semi-conducteur situédans la même colonne de la classificationque le bore dont la configurationélectronique est 1s22s22p1.a. Quelle est le nombre d’électrons de va-lence de l’indium ?b. En déduire la formule de l’ion stable formépar l’indium.

Correction

a. Nombre d’électrons de valence 3 car 2+1électrons sur la couche de valence 2.b. L’atome indium va perdre 3 électrons pouraboutir à l’ion positif In3+.

Exercice 3

Énoncé

D’après Belin 2019.La formule de glucose est C6H1206.Donner le nom et le nombre de chaqueatome qui le compose.

Correction

Le glucose est composé de 6 atomes decarbone C , de 12 atomes d’hydrogène H etde 6 atomes d’oxygène O.

Exercice 4

Énoncé

D’après Belin 2019.Le dichlorométhane et l’acétone sont dessolvants utilisés en chimie organique.On donne ci-dessous les schémas de Lewisde ces deux molécules.

Dichlorométhane Cl C

Acétone H C

Justifier la stabilité de chaque atome danschaque molécule.

Correction

L’atome d’hydrogène H est stable entouréde 2 électrons soit une liaison covalente, cequi est le cas pour l’ensemble des atomesH des deux molécules.L’atome de carbone C est stable entouré de8 électrons, soit un total de 4 liaisons, ce quiest le cas pour l’ensemble des atomes de Cdes deux molécules.L’atome de chlore Cl est stable entouré de8 électrons, soit un total de 3 doublets nonliant et une liaison, ce qui est le cas pourl’ensemble des atomes de Cl du dichloro-méthane.L’atome d’oxygène O est stable entouré de8 électrons, soit un total de 2 doublets nonliant et 2 liaisons, ce qui est le cas pourl’atome O de l’acétone.

Exercice 5

Énoncé

D’après Belin 2019.Le paracématol est un antalgique, c’est-à-dire un médicament permettant de diminuerla douleur. Maryama a recopié le schéma deLewis de la molécule de paracématol maiselle a fait quelques erreurs. Pouvez vous l’ai-der à retrouver ses erreurs ?

Correction

Pour l’atome oxygène O relié au cycle ilmanque les 2 doublets non liants.Pour l’atome de carbone C du cycle ilmanque une liaison (il manque un hydro-gène)Pour l’atome d’azote N il manque le doubletnon liant.Pour l’atome d’oxygène O relié hors du cycleà un carbone, il lui manque ainsi qu’au car-bone une liaison pour être stable : il fautremplacer la liaison simple par une doubleliaison.

Exercice 6

Énoncé

D’après Belin 2019.Le trifluorure d’azote est un gaz à effet deserre dont le potentiel est 16000 fois supé-rieur à celui du dioxyde de carbone.

a. Déterminer la formule brute de cette mo-lécule.b. Ajouter ce qu’il manque sur certainsatomes pour que le schéma de Lewis soitcorrect.

Correction

a. Formule brute N F3.b. Il manque les 3 doublets son liants sur lefluor à droite sur le schéma.

Exercice 7

Énoncé

D’après Hachette 2019.Pour chaque molécule du tableau 7 choi-sir le schéma de Lewis correct sachant quetous les atomes ont une configurationélectronique identique à celle d’un gaznoble.

Correction

Pour le méthanal, la proposition 1 est cor-recte.Pour l’acétylène, la proposition 2 estcorrecte.

Exercice 8

Énoncé

D’après Hachette 2019.Des schémas de Lewis de différentes molé-cules sont présentés ci-dessous

Éthanal H C

Phosgène Cl C

Justifier le nombre de doublets non liantssur les atomes d’oxygène et de chlore.

Correction

Les atomes d’oxygène et de chlore doiventêtre entourés de 8 électrons de valence.Comme l’oxygène fait une double liaison (4électrons de valence) il faudra rajouter 2doublets non liants à l’oxygène.Comme le chlore fait une liaison simple (2électrons de valence) il faudra lui rajouter 3doublets non liants.

Exercice 9

Énoncé

D’après Hachette (2019)Des schémas de Lewis incomplètes de dif-férentes molécules sont représentésci-dessous. Recopier ces schémas de Lewisincomplets, puis les compléter en ajoutantun (ou des) doublet(s) non liant(s). Justifier.

Éthanamine

Éthan-1,2-diol

Méthanal

Correction

Les atomes de carbone C , d’oxygène O etd’azote N doivent être entourés de 8 élec-trons de valence, il manque donc un doubletnon liant sur l’azote et deux doublets nonliants pour chaque atome d’oxygène.

Éthanamine

Éthan-1,2-diol

Méthanal

Exercice 10

Énoncé

D’après Hachette 2019.a. Définir l’énergie de liaison.b. Déterminer, entre la liaison simpleC O et la double liaison C O, celle quiest la plus difficile à rompre.

— énergie de liaison C O 351 u.s.i— énergie de liaison C O 730 u.s.i

Correction

a. L’énergie de liaison correspond à l’éner-gie nécessaire pour rompre la liaison et re-former des atomes isolés.b. La liaison C O est plus difficile àrompre car 730> 351.

Exercice 11

Énoncé

D’après Hachette 2019.Calculer l’énergie (en u.s.i) nécessaire pourrompre toutes les liaisons de la molécule dedioxyde de carbone CO2.Schéma de Lewis du CO2

Énergie de liaison— énergie de liaison C O 351 u.s.i— énergie de liaison C O 730 u.s.i

Correction

Il nous faut rompre deux double liaisonC O, soit une énergie totale de

ETotal = 2× 730= 1460 u.s.i

Exercice 12

Énoncé

D’après Belin 2019.Le bioéthanol est un biocarburant à based’éthanol dont la molécule est représentée

a. Lister les types de liaisons à rompre etleur nombre.b. Exprimer l’énergie E à fournir pourrompre toutes les liaisons de cette moléculesous forme E = DA−B + . . .

Correction

a. Inventaire des liaisons— 5 liaisons C H— 1 liaison C C— 1 liaison C O— 1 liaison O H

b. E = 5× DC−H + DC−C + DC−O + DO−H

Exercice 13

Énoncé

D’après Hachette 2019.Voici deux schémas de Lewis incomplets demolécules contenant des liaisons doubles.

Méthanal

Méthanimine

a. Recopier les schémas de Lewis incom-plets, puis les compléter en ajoutant un ouplusieurs doublets liants ou non liants, sa-chant que chaque atome vérifie la règle destabilité.b. L’énergie d’atomisation est l’énergie àfournir pour rompre toutes les liaisons d’unemolécule et obtenir des atomes. Calculer lesénergies de liaison des liaisons C O etC N.c. En déduire celle est la liaison la plusstable.Données :énergies de liaisons

— Eliaison(C −H) = 413 u.s.i— Eliaison(N −H) = 391 u.s.i

énergies d’atomisation— Eatomisation(methanal) = 1567 u.s.i— Eatomisation(methanamine) =

1564 u.s.i

Correction

a. Structure de Lewis

Méthanal

Méthanimine

b. Première molécule :

Eatomisation(methanal) =2× Eliaison(C −H) + Eliaison(C = O)

1567= 2× 413+ Eliaison(C = O)

et finalement

Eliaison(C = O) = 741 u.s.i

Deuxième molécule :

Eatomisation(methanamine) =2× Eliaison(C −H) + Eliaison(C = N)+Eliaison(N −H)

1564= 2× 413+ Eliaison(C = N) + 391

et finalement Eliaison(C = N) = 347 u.s.ic. La liaison la plus stable est celle qui né-cessite le plus d’énergie pour être rompue,il sagit donc de C O.

5 Compter les entités

5 COMPTER LES ENTITÉS

Exercice 1

Énoncé

On a un bloc métallique de 1 kg d’uranium.Un seul atome d’uranium a une masse de39.5× 10−26 kg.Combien y-a-il d’atomes d’uraniumdans ce bloc ?

Correction

nombre atomes=masse totale

masse d’un atome

donc il y a

1 kg39.5× 10−26 kg

= 2.53× 1024

atomes.

Exercice 2

Énoncé

Le noyau de l’atome d’uranium possède unnombre total de neutrons et de protons égalà 238.Les neutrons et les protons ont une masseindividuelle de environ 1.67× 10−27 kg.Calculez la masse d’un atome d’uranium ennégligeant la masse des électrons.

Correction

La masse de l’atome étant approximative-ment celle de son noyau, sachant que lesneutrons et les protons ont quasiment lamême masse et que le nombre total desneutrons et des protons est de 238, lamasse est donc le produit entre la masse in-dividuelle d’un neutron ou d’un proton par lenombre total de particules (neutron ou pro-ton) du noyau 1.67 × 10−27 kg × 238 =3.97× 10−25 kg.

Exercice 3

Énoncé

Calculer la masse de la moléculed’acide acétique CH3COOH connaissant lamasse individuelle des atomes suivantsmC = 2.00× 10−26 kgmO = 2.67× 10−26 kgmH = 1.67× 10−27 kg

Correction

D’après la formule brute, on constate qu’ilfaut compter deux fois la masse de l’atomede carbone, quatre fois lamasse de l’atome d’hydrogène et deux foisla masse de l’atome d’oxygène.mmoléc. = 2 × 2.00 × 10−26 + 4 × 1.67 ×10−27+2×2.67×10−26 = 1.00×10−25 kg.

Exercice 4

Énoncé

On a un nombre N = 12.05× 1022 de mo-lécules. Combien de paquets contenant6.022× 1023 molécules peut-on réaliser ?Quelle sera la quantité de matière corres-pondante ?Sachant qu’une molécule d’eau contient unseul atome d’oxygène et deux atomes d’hy-drogène, quelles seront les quantités de ma-tière d’oxygène et d’hydrogène ?

Correction

On peut former un nombre n de paquets

n=NNA=

12.05× 1022

6.022× 1023= 0.20

La quantité de matière est doncn= 0.20 mol.Pour 1 molécule d’eau on a 2 hydrogène et1 oxygène.Donc proportionnellement, pour 0.20 molde molécules d’eau on a 0.40 mol d’atomeshydrogène et 0.20 mol d’atomes oxygène.

Exercice 5

Énoncé

Un bécher contient une quantité de matièren = 4.5 mol d’hydrogénocarbonate de so-dium de formule brute NaHCO3. Quelle estla masse de poudre présente dans ce bé-cher ?Masse des atomes :me(H) = 1.674× 10−24 gme(C) = 1.995× 10−23 gme(O) = 2.657× 10−23 gme(Na) = 3.818× 10−23 gNombre d’Avogadro :NA = 6.022× 1023

Correction

À partir de la formule brute de l’hydrogéno-carbonate de sodium, on calcule la massed’une seule molécule

mhydrogeno. = 3.818× 10−23

+ 1.674× 10−24

+ 1.995× 10−23

+ 3× 2.657× 10−23

= 1.395× 10−22 g

À partir de la quantité de matièren = 4.5 mol et du nombre d’Avogadro NAon calcule le nombre d’entités N

N = n× NA = 2.71× 1024

Finalement, on peut calculer la masse totaleprésente

m= N ×mhydrogeno. = 378 g

Exercice 6

Énoncé

On souhaite prélever 2.4 mol de glucose deformule brute C6H12O6.Combien de gramme de poudre doit-on pe-ser lors du prélèvement ?Masse des atomes :me(H) = 1.674× 10−24 gme(C) = 1.995× 10−23 gme(O) = 2.657× 10−23 gNombre d’Avogadro :NA = 6.022× 1023

Correction

On calcule la masse d’une entité à partir desa formule brute

mglucose. = 6× 1.995× 10−23

+ 12× 1.674× 10−24

+ 6× 2.657× 10−23

= 2.99× 10−22 g

À partir de la quantité de matière n, on cal-cule le nombre N d’entités à prélever

N = n× NA = 1.45× 24 entites

Enfin, on peut alors calculer la masse detoutes les entités prélevées

m= N ×mglucose = 432 g

Exercice 7

Énoncé

Un lingot d’or de type «Good Delivery»stocké dans une banque a une masse de12.4 kg.Combien-y-a-il d’atomes d’or dans celingot ?Si je remplace les atomes d’or par desatomes d’uranium, combien pèsera cemême lingot ?On donne la masses des atomes d’orme(Au) = 3.269× 10−22 g et des atomesd’uranium me(U) = 3.952× 10−22 g, ainsique la valeur de la constante d’AvogadroNA = 6.022× 1023 mol−1.

Correction

Nombre NAu d’atomes d’orNAu =

mme(Au) =

12400 g3.269×10−22 g = 3.79× 1025

atomes.Masse correspondante d’uraniumm = N ×me(U) = 3.79× 1025 × 3.952×10−22 = 15000 g = 15 kg

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