L'atome et son noyau seconde : exercices corrigés (PDF)

La table, l’air, ton propre corps : la matière qui t’entoure est faite d’atomes, et chacun cache en son centre un noyau minuscule. C’est lui qui porte presque toute la masse de l’atome, et c’est lui qui décide de son identité : selon le nombre de protons de son noyau, un atome est un atome d’iode, d’or ou de fer. Ce chapitre t’apprend à lire l’écriture d’un noyau, à en tirer la composition d’un atome ou d’un ion, à reconnaître un élément chimique, puis à comparer des tailles et des masses avec des puissances de dix. Les exercices 1 à 3 se font sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les exercices 4 et 5 sont des situations de contrôle, avec un corrigé rédigé comme au tableau. La suite du programme part de là : le cortège électronique et le tableau périodique, puis les ions, les molécules et les schémas de Lewis.

L'atome, son noyau et l'élément chimique

1Ce qu'il y a dans un atome

Un atome d'hélium : au centre, un noyau formé de protons et de neutrons, qu'on appelle les nucléons ; autour, des électrons, qui forment le cortège électronique. Dessin sans échelle : à l'échelle, le noyau serait invisible.

Particule	Charge	Masse
proton noyau	+e	1,67 × 10⁻²⁷ kg
neutron noyau	0	1,67 × 10⁻²⁷ kg
électron autour du noyau	−e	9,11 × 10⁻³¹ kg

e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C est la charge élémentaire. Un atome possède autant d'électrons que de protons : leurs charges se compensent, il est électriquement neutre.

2L'écriture conventionnelle du noyau

A, en haut : le nombre de masse, c'est-à-dire le nombre de nucléons, protons et neutrons ensemble.
Z, en bas : le numéro atomique, c'est-à-dire le nombre de protons.
X : le symbole de l'élément.

neutrons : A − Z · électrons de l'atome : Z

Exemple : l'argent 10747Ag a 47 protons et 107 − 47 = 60 neutrons ; l'atome, neutre, a 47 électrons.

3L'élément chimique et l'ion

Toutes les entités qui ont le même numéro atomique Z appartiennent au même élément chimique : c'est le nombre de protons qui fait l'identité d'un atome.

Un ion monoatomique garde le noyau de l'atome dont il vient : seul son nombre d'électrons change. Il en a un de moins par charge positive, un de plus par charge négative.

Exemples : l'ion argent Ag⁺ a 47 protons et 47 − 1 = 46 électrons ; l'ion bromure Br⁻ (Z = 35) a 35 protons et 35 + 1 = 36 électrons.

4Tailles et masses

atome : de l'ordre de 10⁻¹⁰ m · noyau : de 10⁻¹⁵ m à 10⁻¹⁴ m

Un atome est 10⁴ à 10⁵ fois plus grand que son noyau, selon l'atome : autour du noyau, les électrons, très légers, occupent un volume presque vide de matière. On dit que la structure de l'atome est lacunaire.

m_atome ≈ A × m_nucléon

Un nucléon est environ 1 800 fois plus lourd qu'un électron : presque toute la masse de l'atome est dans son noyau.

Pour comparer deux grandeurs, on calcule leur quotient, après les avoir exprimées dans la même unité : le résultat, sans unité, dit combien de fois l'une est plus grande que l'autre.

La carte du chapitre : la composition de l'atome, l'écriture du noyau, l'élément chimique, puis les tailles et les masses.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Écris l’unité après chaque valeur, puissances de dix comprises. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

L'atome et son noyau : le cours en un paragraphe

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Le cours en un texte à trous

Un atome est formé d'un noyau, entouré d'électrons qui forment le cortège électronique. Le noyau contient des protons, chargés positivement, et des neutrons, : ensemble, on les appelle des . Dans l'écriture conventionnelle d'un noyau, le nombre écrit en bas à gauche du symbole est le . Un atome possède autant d'électrons que de : il est électriquement neutre. Toutes les entités qui ont le même nombre de appartiennent au même élément chimique. Un ion monoatomique garde le noyau de son atome et n'en diffère que par le nombre de ses . Un atome mesure de l'ordre de , et presque toute sa masse est concentrée dans .

Exercice 4

Donner la composition d'un atome et d'un ion

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Application directe : l'iode des comprimés distribués près des centrales nucléaires

En France, les personnes qui habitent près d’une centrale nucléaire reçoivent des comprimés d’iodure de potassium, à prendre seulement si les autorités le demandent. En cas d’accident, de l’iode radioactif pourrait être rejeté dans l’air. Or la glande thyroïde, située dans le cou, fixe l’iode : saturée par l’iode non radioactif du comprimé, elle fixe beaucoup moins l’iode radioactif.

Données :

l’iode présent dans la nature est formé d’atomes dont le noyau s’écrit ${}^{127}_{\phantom{1}53}\text{I}$ ;
l’iodure de potassium est formé d’ions potassium $\text{K}^{+}$ et d’ions iodure $\text{I}^{-}$ ; l’ion iodure porte une charge négative ;
le noyau de l’iode radioactif qui pourrait être rejeté contient 53 protons et 78 neutrons ;
les propriétés chimiques d’un atome sont fixées par ses électrons ;
charge d’un proton : $+e$ ; charge d’un électron : $-e$ ; charge élémentaire : $e = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}$ .

Donner la composition de l’atome d’iode ${}^{127}_{\phantom{1}53}\text{I}$ : nombre de protons, de neutrons et d’électrons.
L’ion iodure $\text{I}^{-}$ provient de cet atome. Donner sa composition, puis calculer sa charge électrique en coulombs.
Établir l’écriture conventionnelle du noyau de l’iode radioactif.
Ce noyau appartient-il au même élément chimique que le noyau ${}^{127}_{\phantom{1}53}\text{I}$ ? Justifier, puis expliquer pourquoi la thyroïde fixe l’iode radioactif comme l’iode du comprimé.

Voir le corrigé

1. Dans l’écriture conventionnelle, le nombre du bas est le numéro atomique : $Z = 53$ , donc le noyau contient 53 protons. Le nombre du haut est le nombre de masse : $A = 127$ nucléons. En notant $N$ le nombre de neutrons, on retire les protons des nucléons :

$N = A - Z = 127 - 53 = 74\ \text{neutrons}$

L’atome est électriquement neutre : il possède autant d’électrons que de protons, soit 53 électrons.

2. Un ion monoatomique garde le noyau de son atome : l’ion iodure contient 53 protons et 74 neutrons. Sa charge négative signale un électron de plus que l’atome :

$53 + 1 = 54\ \text{électrons}$

La charge électrique $q$ de l’ion est la somme des charges de ses particules. Chaque proton apporte $+e$ , chaque électron $-e$ , et les neutrons n’apportent rien : 53 charges positives et 54 charges négatives laissent une charge négative en trop.

$q = 53 \times (+e) + 54 \times (-e) = (53 - 54) \times e = -e$

$q = -1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}$

L’ion porte une seule charge élémentaire, négative : c’est le sens du signe − de la formule $\text{I}^{-}$ .

3. Le noyau contient 53 protons : $Z = 53$ . Le nombre de masse est le nombre total de nucléons, protons et neutrons :

$A = Z + N = 53 + 78 = 131$

Le symbole de l’iode est I, d’où l’écriture du noyau :

${}^{131}_{\phantom{1}53}\text{I}$

Contrôle : $131 - 53 = 78$ , c’est bien le nombre de neutrons de l’énoncé. Ce noyau est celui de l’iode 131.

4. Oui. Les deux noyaux ont le même numéro atomique, $Z = 53$ : ils appartiennent au même élément chimique, l’iode. Ils ne diffèrent que par leur nombre de neutrons, 74 pour l’un et 78 pour l’autre.

Les deux sortes d’atomes ont donc le même nombre d’électrons, 53. Or les propriétés chimiques d’un atome sont fixées par ses électrons : l’iode 131 et l’iode 127 ont les mêmes propriétés chimiques, et la thyroïde ne fait pas la différence. Elle fixe l’élément iode, que son noyau soit radioactif ou non. C’est pourquoi, déjà saturée par l’iode du comprimé, elle fixe beaucoup moins d’iode radioactif.

Réflexe à retenir : le numéro atomique $Z$ donne le nombre de protons, et donc l’élément ; le nombre de neutrons se calcule par $A - Z$ ; le nombre d’électrons vaut $Z$ pour un atome, puis se corrige selon la charge pour un ion.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Comparer la taille et la masse d'un atome et de son noyau

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Type évaluation, avec un document à exploiter

En 1909, à Manchester, Hans Geiger et Ernest Marsden, qui travaillent dans le laboratoire d’Ernest Rutherford, envoient des particules alpha sur une feuille d’or très mince. Ces particules, émises par une source radioactive, sont des noyaux d’hélium ${}^{4}_{2}\text{He}$ . Leurs observations ont conduit Rutherford, en 1911, à proposer un nouveau modèle de l’atome.

Document : l’expérience de 1909, dessin simplifié vu de dessus. L’écran, en pointillés, entoure la feuille : il émet un petit éclair de lumière à chaque particule alpha reçue.

La plupart des particules traversent la feuille sans être déviées, ou presque.
Quelques-unes sont nettement déviées.
Très rarement, de l’ordre d’une sur plusieurs milliers, une particule rebondit vers la source.

Données :

noyau d’un atome d’or : ${}^{197}_{\phantom{1}79}\text{Au}$ ;
diamètre d’un atome d’or : environ $2{,}9 \times 10^{-10}\ \text{m}$ ; diamètre de son noyau : environ $1{,}4 \times 10^{-14}\ \text{m}$ ;
masse d’un nucléon : $m_{\text{nucléon}} = 1{,}67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ ; masse d’un électron : $m_{\text{électron}} = 9{,}11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$ ;
charge élémentaire : $e = 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C}$ ; un proton porte la charge $+e$ , un neutron n’est pas chargé ;
deux corps chargés de même signe se repoussent ;
l’ordre de grandeur d’une valeur est la puissance de dix la plus proche de cette valeur.

Donner la composition de l’atome d’or : nombre de protons, de neutrons et d’électrons.
Donner l’ordre de grandeur du diamètre d’un atome d’or. Calculer ensuite le quotient du diamètre de l’atome d’or par celui de son noyau, et traduire le résultat par une phrase.
À l’aide du résultat de la question 2, expliquer l’observation 1 du document.
Calculer la charge électrique d’une particule alpha, puis celle d’un noyau d’or. En déduire pourquoi une particule alpha qui passe très près d’un noyau d’or est fortement déviée (observations 2 et 3).
Calculer une valeur approchée de la masse d’un noyau d’or, puis la masse de l’ensemble des électrons d’un atome d’or. Comparer ces deux masses par un quotient, puis conclure : où se trouve la masse de l’atome ?

Voir le corrigé

1. Dans ${}^{197}_{\phantom{1}79}\text{Au}$ , le numéro atomique vaut $Z = 79$ : le noyau contient 79 protons. Le nombre de masse vaut $A = 197$ nucléons, donc le noyau contient

$197 - 79 = 118\ \text{neutrons}$

L’atome est électriquement neutre : il possède 79 électrons, autant que de protons.

2. Le diamètre d’un atome d’or vaut environ $2{,}9 \times 10^{-10}\ \text{m}$ . Le nombre placé devant la puissance de dix, 2,9, est plus proche de 1 que de 10 : l’ordre de grandeur est $10^{-10}\ \text{m}$ , celui de la taille d’un atome.

On note $d_{\text{atome}}$ et $d_{\text{noyau}}$ les deux diamètres. Ce sont deux longueurs, exprimées dans la même unité, le mètre : on peut les comparer par un quotient. On divise les nombres placés devant les puissances de dix, puis on soustrait les exposants :

$\dfrac{d_{\text{atome}}}{d_{\text{noyau}}} = \dfrac{2{,}9 \times 10^{-10}\ \text{m}}{1{,}4 \times 10^{-14}\ \text{m}} = \dfrac{2{,}9}{1{,}4} \times 10^{-10-(-14)} \approx 2{,}1 \times 10^{4}$

En effet, $2{,}9 / 1{,}4 \approx 2{,}1$ et $-10 - (-14) = -10 + 14 = 4$ . Les mètres se simplifient : le quotient est un nombre sans unité. L’atome d’or est environ $2{,}1 \times 10^{4}$ fois plus grand que son noyau, soit environ vingt mille fois.

3. Le noyau n’occupe qu’une toute petite région au centre de l’atome : autour, les électrons, très légers, occupent un grand volume presque vide de matière. La feuille d’or est faite d’atomes serrés les uns contre les autres, mais une particule alpha qui la traverse passe, le plus souvent, loin de tout noyau, à l’échelle du noyau. Les électrons, environ 7 000 fois plus légers qu’elle, ne la dévient pratiquement pas : elle traverse la feuille en ligne droite. C’est l’observation 1, et elle montre que la structure de l’atome est lacunaire, c’est-à-dire essentiellement vide.

La feuille d’or vue de très près. Les noyaux sont dessinés beaucoup trop gros : à l’échelle, chacun serait environ vingt mille fois plus petit que son atome. Une particule qui passe loin des noyaux file tout droit ; celle qui frôle un noyau est fortement déviée.

4. Une particule alpha est un noyau d’hélium ${}^{4}_{2}\text{He}$ : 2 protons et 2 neutrons. Seuls les protons sont chargés. On note $q_{\alpha}$ la charge d’une particule alpha (α est la lettre grecque alpha) et $Q_{\text{or}}$ celle d’un noyau d’or :

$q_{\alpha} = 2 \times e = 2 \times 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C} = 3{,}20 \times 10^{-19}\ \text{C}$

$Q_{\text{or}} = 79 \times e = 79 \times 1{,}60 \times 10^{-19}\ \text{C} \approx 1{,}26 \times 10^{-17}\ \text{C}$

Les deux charges sont positives : une particule alpha et un noyau d’or se repoussent. Loin du noyau, cette répulsion ne dévie pratiquement pas la particule. Mais le noyau d’or porte une charge environ 40 fois plus grande que la sienne (79 protons contre 2) : une particule qui passe assez près de lui est repoussée et déviée (observation 2), d’autant plus qu’elle passe plus près. Si elle arrive presque droit sur le noyau, elle est renvoyée vers l’arrière (observation 3). Ces cas sont rares, parce que le noyau est minuscule : peu de particules passent assez près de lui.

5. Le noyau d’or contient $A = 197$ nucléons, qui ont chacun une masse d’environ $m_{\text{nucléon}}$ :

$m_{\text{noyau}} \approx A \times m_{\text{nucléon}} = 197 \times 1{,}67 \times 10^{-27}\ \text{kg} \approx 3{,}29 \times 10^{-25}\ \text{kg}$

L’atome possède 79 électrons :

$m_{\text{électrons}} = 79 \times m_{\text{électron}} = 79 \times 9{,}11 \times 10^{-31}\ \text{kg} \approx 7{,}20 \times 10^{-29}\ \text{kg}$

Les deux masses sont exprimées en kilogrammes : on les compare par leur quotient.

$\dfrac{m_{\text{noyau}}}{m_{\text{électrons}}} = \dfrac{3{,}29 \times 10^{-25}\ \text{kg}}{7{,}20 \times 10^{-29}\ \text{kg}} \approx 4{,}57 \times 10^{3}$

Le noyau est environ 4 600 fois plus lourd que l’ensemble des 79 électrons : les électrons ne représentent qu’environ 0,02 % de la masse de l’atome. Presque toute la masse de l’atome se trouve dans son noyau, qui occupe pourtant un volume minuscule. C’est ce que Rutherford a proposé en 1911 : un noyau très petit, chargé positivement, qui concentre presque toute la masse de l’atome, entouré d’électrons.

Réflexe à retenir : pour comparer deux grandeurs, on calcule leur quotient, avec la même unité en haut et en bas. On divise les nombres placés devant les puissances de dix, on soustrait les exposants, puis on traduit le résultat par une phrase « … fois plus grand que… ».

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Le nombre du bas d’abord. Dans l’écriture conventionnelle ${}^{A}_{Z}\text{X}$ , le numéro atomique $Z$ compte les protons et décide de l’élément. Les neutrons se calculent par $A - Z$ , et un atome possède $Z$ électrons.
Un ion garde son noyau. Seul son nombre d’électrons change : un de moins par charge positive, un de plus par charge négative. L’ion appartient donc au même élément chimique que l’atome dont il vient.
Pour comparer, on divise. On exprime les deux grandeurs dans la même unité, on calcule leur quotient, puis on le traduit par une phrase « … fois plus grand que… ». Un atome mesure de l’ordre de $10^{-10}\ \text{m}$ , soit 10⁴ à 10⁵ fois plus que son noyau, qui porte pourtant presque toute sa masse.

Exercices corrigés — L'atome et son noyau

Lire l'écriture conventionnelle d'un noyau

Reconnaître un élément chimique, un atome ou un ion