Exercices corrigés — Ions, molécules et schémas de Lewis
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Pourquoi le néon ne réagit-il avec presque rien, alors que le sodium réagit violemment avec l’eau ? Tout se joue sur la dernière couche d’électrons. Les atomes qui ne ressemblent pas à un gaz noble se transforment jusqu’à lui ressembler : en devenant des ions, ou en partageant des électrons dans une molécule. Les trois premiers exercices vérifient que le cours est compris, sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les deux suivants sont des situations de contrôle, la formation d’un ion puis un schéma de Lewis à exploiter, avec un corrigé rédigé comme au tableau.
Comment un atome devient-il plus stable ?
Le modèle : le gaz noble
couche externe saturée
L’hélium en a 2 (règle du duet), le néon et l’argon en ont 8 (règle de l’octet) : ils ne forment pratiquement ni ion ni molécule.
Devenir un ion
perdre ou gagner des électrons
Les ions à connaître : H⁺ (hydrogène), Na⁺ (sodium), K⁺ (potassium), Ca²⁺ (calcium), Mg²⁺ (magnésium), Cl⁻ (chlorure), F⁻ (fluorure).
Former une molécule
partager des électrons
Chaque doublet partagé compte pour les deux atomes liés : chacun atteint ainsi le duet ou l’octet, sans rien perdre ni gagner.
La colonne donne la charge de l’ion
| Colonne | 1 | 2 | 13 | 16 | 17 |
|---|---|---|---|---|---|
| Charge de l’ion | + | 2+ | 3+ | 2− | − |
| Exemples | Na⁺, K⁺ | Mg²⁺, Ca²⁺ | Al³⁺ | O²⁻, S²⁻ | Cl⁻, F⁻ |
Lire un schéma de Lewis
La molécule d’eau H₂O
Un trait un doublet liant : 2 électrons partagés par les deux atomes qu’il relie. C’est une liaison covalente, et ces 2 électrons comptent pour chacun des deux.
Deux points un doublet non liant : 2 électrons qui appartiennent au seul atome sur lequel ils sont dessinés.
Compter l’entourage 2 électrons par doublet, liant ou non liant : l’oxygène de l’eau en a 4, soit 8 électrons, donc l’octet est respecté.
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. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.
Le modèle du gaz noble
★★★Quiz de compréhension du cours
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Juste. La bonne réponse : Leur couche électronique externe est saturée : elle contient déjà 8 électrons. Dans un gaz noble, la couche de valence est complète : 2 électrons pour l'hélium (règle du duet), 8 pour le néon et l'argon (règle de l'octet). Il n'y a donc rien à gagner ni à céder, et c'est cette configuration qui explique leur stabilité chimique. Les autres éléments, eux, se transforment pour obtenir le même entourage électronique.
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Juste. La bonne réponse : Parce qu'en perdant son unique électron de valence, il retrouve l'entourage électronique du néon. L'atome de sodium ne possède qu'un électron sur sa couche externe. En le perdant, sa couche externe devient la couche précédente, complète avec 8 électrons, comme celle du néon : l'ion Na+ est stable. Gagner 7 électrons pour compléter la couche serait un changement bien plus grand. C'est le gaz noble le plus proche qui indique le chemin le plus court.
-
Juste. La bonne réponse : Il a gagné 1 électron : l'ion porte une charge négative, Cl−. Dans la colonne 17, un atome possède 7 électrons de valence : il lui en manque un seul pour l'octet. Il gagne donc 1 électron, et comme l'électron porte une charge négative, l'ion obtenu porte une charge −. Le noyau, lui, n'a pas changé : un ion monoatomique a toujours autant de protons que l'atome dont il vient.
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Juste. La bonne réponse : Ca2+. Un atome de la colonne 2 possède 2 électrons de valence : il les perd tous les deux pour retrouver la couche externe complète du gaz noble qui le précède. Il manque alors 2 électrons par rapport au nombre de protons, d'où la charge 2+ et la formule Ca2+. La charge se lit donc directement dans la colonne : + pour la colonne 1, 2+ pour la colonne 2.
Lire un schéma de Lewis
★★★Quiz : deux schémas fournis à exploiter
NH₃
ammoniac
CO₂
dioxyde de carbone
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Juste. La bonne réponse : Un doublet liant : 2 électrons partagés par les deux atomes qu'il relie. Un trait représente un doublet liant, c'est-à-dire 2 électrons mis en commun : c'est une liaison covalente. Ces 2 électrons comptent pour les deux atomes liés à la fois, et c'est ce partage qui permet à chacun d'atteindre le duet ou l'octet. Dans un solide ionique, en revanche, ce sont des ions de charges opposées qui s'attirent : il n'y a pas de doublet partagé.
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Juste. La bonne réponse : 8 : trois doublets liants et un doublet non liant, soit quatre doublets de 2 électrons. Les deux points côte à côte sont un doublet non liant : 2 électrons qui appartiennent au seul atome d'azote. Pour compter l'entourage d'un atome, on compte 2 électrons par doublet, liant ou non liant. L'azote a trois doublets liants et un doublet non liant, soit quatre doublets : son entourage est de 8 électrons, la règle de l'octet est respectée.
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Juste. La bonne réponse : Les deux atomes partagent deux doublets : c'est une liaison double. Deux traits entre deux atomes signifient qu'ils partagent 2 doublets, soit 4 électrons : c'est une liaison double. Autour du carbone, on compte ainsi quatre doublets liants, soit 8 électrons. Chaque oxygène, lui, a une liaison double et deux doublets non liants, soit quatre doublets également : l'octet est respecté pour les trois atomes.
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Juste. La bonne réponse : Elle est plus difficile à rompre : il faut fournir davantage d'énergie pour séparer les deux atomes. L'énergie d'une liaison est l'énergie qu'il faut fournir pour la rompre, c'est-à-dire pour séparer les deux atomes qu'elle relie : plus cette énergie est grande, plus la liaison est solide. Le mouvement inverse existe aussi : former la liaison libère la même énergie que sa rupture en demande.
Le chapitre en un paragraphe
★★★Le cours en un texte à trous
Les gaz nobles sont chimiquement stables parce que leur couche électronique externe est saturée . Pour l'hélium, cette couche compte 2 électrons : c'est la règle du duet . Pour le néon et l'argon, elle en compte 8 : c'est la règle de l' octet . Les autres atomes se transforment pour obtenir le même entourage électronique : un atome de la colonne 2 perd 2 électrons et donne un ion de charge 2+, tandis qu'un atome de la colonne 17 gagne 1 électron et donne un ion de charge −. Un atome peut aussi se stabiliser en partageant des électrons : dans une molécule, un doublet partagé par deux atomes est un doublet liant , dessiné par un trait .
Un gaz noble ne gagne ni ne perd d'électron parce que sa couche externe est déjà complète : 2 électrons pour l'hélium, 8 pour le néon et l'argon. Le mot « duet » désigne les 2 électrons de l'hélium, le mot « octet » les 8 électrons des autres. Pour former un ion, c'est le chemin le plus court qui compte : un atome de la colonne 2 a 2 électrons de valence et les perd, plutôt que d'en gagner 6 ; un atome de la colonne 17 en a 7 et en gagne 1, plutôt que d'en perdre 7. Enfin, sur un schéma de Lewis, le trait représente le doublet partagé, et les deux points un doublet qui reste à un seul atome.
Le fluor du dentifrice
★★★De l'atome à l'ion, en justifiant chaque étape
De nombreux dentifrices contiennent des ions fluorure, dont la teneur est indiquée sur le tube. Ces ions viennent de l’élément fluor, de numéro atomique .
Données : configuration électronique de l’atome de fluor : ; configuration électronique de l’atome de néon, le gaz noble le plus proche : .
- Donner le nombre d’électrons de valence de l’atome de fluor.
- Expliquer pourquoi cet atome gagne un électron plutôt qu’il n’en perd sept, puis donner la formule et le nom de l’ion obtenu.
- Déterminer le nombre de protons et le nombre d’électrons de cet ion, puis vérifier sa charge.
- Cet ion possède autant d’électrons qu’un atome de néon. Est-ce pour autant un atome de néon ? Justifier.
Voir le corrigé
1. Les électrons de valence sont ceux de la dernière couche occupée. Pour le fluor, cette couche est la couche 2, qui porte , soit électrons. L’atome de fluor possède donc 7 électrons de valence.
2. Il lui manque 1 seul électron pour que sa couche externe en compte 8, comme celle du néon (). Gagner 1 électron est donc un changement bien plus petit que d’en perdre 7, ce qui le ramènerait à sa seule couche 1. L’atome gagne un électron et forme l’ion fluorure, de formule : le signe − rappelle l’électron gagné.
3. Le noyau n’est pas modifié quand un ion monoatomique se forme : l’ion fluorure contient donc 9 protons, comme l’atome de fluor. L’atome neutre possédait 9 électrons, et l’ion en a gagné un :
Chaque proton porte une charge élémentaire positive et chaque électron une charge élémentaire négative : l’ion porte donc 9 charges positives et 10 charges négatives, soit une charge négative au total. C’est bien l’ion .
4. Non. L’ion fluorure a le même nombre d’électrons que l’atome de néon, mais pas le même noyau : 9 protons pour l’un, 10 protons pour l’autre. Or c’est le nombre de protons qui définit l’élément chimique. Ce que les deux entités partagent, c’est l’entourage électronique, et c’est précisément ce qui rend l’ion fluorure stable.
Réflexe à retenir : pour prévoir un ion, on cherche le gaz noble le plus proche et on compte les électrons à gagner ou à perdre. Le noyau, lui, ne bouge jamais.
L'eau oxygénée de l'armoire à pharmacie
★★★Type contrôle, avec un schéma de Lewis à exploiter
L’eau oxygénée est une solution aqueuse de peroxyde d’hydrogène, une molécule de formule utilisée notamment comme désinfectant. Son schéma de Lewis est donné ci-dessous.
H₂O₂
peroxyde d'hydrogène
Données : nombre d’électrons de valence de l’atome d’hydrogène : 1 ; nombre d’électrons de valence de l’atome d’oxygène : 6.
- Compter, sur le schéma, les doublets liants puis les doublets non liants de la molécule.
- Vérifier que chaque atome d’oxygène respecte la règle de l’octet, et chaque atome d’hydrogène la règle du duet.
- Calculer le nombre total d’électrons de valence apportés par les quatre atomes, puis le nombre de doublets qu’il représente. Comparer au comptage de la question 1.
- Expliquer en quoi cette molécule est plus stable que deux atomes d’hydrogène et deux atomes d’oxygène isolés.
Voir le corrigé
1. Les traits du schéma sont les doublets liants : un trait entre les deux atomes d’oxygène, et un trait entre chaque atome d’oxygène et l’atome d’hydrogène qui lui est lié, soit 3 doublets liants. Les paires de points sont les doublets non liants : chaque atome d’oxygène en porte deux, soit 4 doublets non liants. La molécule compte donc doublets.
2. Pour compter l’entourage d’un atome, on compte 2 électrons par doublet, liant ou non liant.
- Chaque atome d’oxygène porte 2 doublets liants (un vers l’autre oxygène, un vers son hydrogène) et 2 doublets non liants, soit 4 doublets :
L’octet est respecté pour les deux atomes d’oxygène.
- Chaque atome d’hydrogène porte 1 doublet liant, soit 2 électrons : la règle du duet est respectée.
3. On additionne les électrons de valence apportés par chaque atome : 1 par atome d’hydrogène, 6 par atome d’oxygène. En notant ce total :
Comme un doublet est formé de 2 électrons, cela représente
C’est exactement le nombre trouvé à la question 1 : le schéma utilise tous les électrons de valence, sans en inventer ni en oublier.
4. Pris isolément, un atome d’hydrogène ne possède qu’un électron, donc pas le duet, et un atome d’oxygène n’en possède que 6 sur sa couche externe, donc pas l’octet. Dans la molécule, le partage des doublets donne à chaque atome d’hydrogène l’entourage électronique de l’hélium (2 électrons) et à chaque atome d’oxygène celui du néon (8 électrons). Chaque atome a donc l’entourage d’un gaz noble, ce qui rend l’ensemble plus stable que les quatre atomes séparés.
Réflexe à retenir : un schéma de Lewis se vérifie de deux façons, et les deux doivent concorder. Le total des électrons de valence donne le nombre de doublets ; l’entourage de chaque atome donne le duet ou l’octet.
Les trois réflexes à retenir
- Cherche le gaz noble le plus proche. C’est lui qui indique combien d’électrons un atome gagne ou perd, et donc la charge de l’ion : + pour la colonne 1, 2+ pour la colonne 2, − pour la colonne 17.
- Un ion monoatomique garde son noyau. Seul le nombre d’électrons change : un ion n’a jamais le même nombre de protons qu’un autre élément, même quand il en a le même nombre d’électrons.
- Compte 2 électrons par doublet, liant ou non liant. C’est le seul calcul nécessaire pour vérifier le duet d’un hydrogène ou l’octet des autres atomes sur un schéma de Lewis.