Exercices corrigés — Atomes, molécules et ions
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Atome, molécule, ion : ce sont les trois entités chimiques du programme, c’est-à-dire les trois sortes de constituants dont la matière est faite. Elles sont bâties avec les mêmes briques, et pour les distinguer on regarde deux choses : combien d’atomes, et quel est le bilan des charges. C’est le vocabulaire de base de toute la chimie du collège, et il revient dès qu’il faut lire une formule, une étiquette ou le résultat d’une expérience. 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 se rédigent comme en contrôle, avec un corrigé écrit comme au tableau.
Atome, molécule, ion
Les mêmes briques, protons, neutrons et électrons : pour les distinguer, on compte les atomes, puis les charges.
L’atome
Le noyau rassemble les protons, de charge positive, et les neutrons, qui n’ont pas de charge. Les électrons, de charge négative, se déplacent autour de lui.
Un atome compte autant d’électrons que de protons : les charges se compensent, il est électriquement neutre.
La molécule et sa formule
Une molécule est un assemblage d’atomes liés entre eux, sans charge. Dans sa formule, l’indice écrit en bas à droite compte les atomes du symbole juste avant lui : CO2 réunit 1 atome de carbone et 2 atomes d’oxygène.
Le nombre écrit devant la formule compte les molécules : 3 CO2 désigne 3 molécules.
L’ion
Un ion est un atome, ou un groupe d’atomes liés, qui a perdu ou gagné des électrons. Sa charge s’écrit en haut à droite.
Perdre des électrons donne un ion positif (un cation), en gagner donne un ion négatif (un anion). Le noyau, lui, n’est pas modifié.
L’élément et son symbole
Dans la classification périodique, chaque case donne le numéro atomique, le symbole et le nom d’un élément chimique. Le numéro atomique est le nombre de protons du noyau.
Un symbole s’écrit avec une majuscule, suivie d’une minuscule s’il a deux lettres : Ca, Na, Cl.
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.
Qui est neutre, qui est chargé ?
★★★Quiz de compréhension du cours
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Juste. La bonne réponse : Il contient autant d'électrons que de protons. Un atome contient bien des charges : celles de ses protons, positives, et celles de ses électrons, négatives. Comme il compte autant d'électrons que de protons, ces charges se compensent exactement et le total est nul. Les neutrons, eux, n'ont pas de charge : ils n'entrent pas dans ce bilan.
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Juste. La bonne réponse : La première est un atome, la seconde est un ion. La première compte autant d'électrons que de protons : elle est neutre, c'est un atome. La seconde compte 2 électrons de plus que de protons, donc 2 charges négatives en trop : c'est un ion. Leurs noyaux sont identiques, avec 8 protons : les deux entités relèvent du même élément chimique, l'oxygène.
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Juste. La bonne réponse : Parce qu'il lui reste plus de charges positives que de charges négatives. Les électrons portent une charge négative. En en perdant, l'entité garde tous ses protons, donc toutes ses charges positives, mais il lui reste moins de charges négatives : le bilan devient positif. Le noyau, lui, n'est pas modifié : son nombre de protons ne change pas.
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Juste. La bonne réponse : Que cette entité est un ion, et qu'elle a perdu un électron. Une charge s'écrit en haut à droite du symbole. Le signe « + » indique qu'il manque une charge négative, donc un électron : cette entité est un ion, et non un atome de potassium. Un nombre écrit en bas à droite compterait des atomes, comme le 2 de H2O : deux positions, deux significations.
Les petits chiffres d'une formule
★★★Quiz : symboles, indices et charges
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Juste. La bonne réponse : Les atomes d'hydrogène de la molécule. Un indice porte uniquement sur le symbole qui le précède, ici H : la molécule compte 4 atomes d'hydrogène. Le symbole C n'a pas d'indice, il n'y a donc qu'un seul atome de carbone. Un nombre qui compterait les molécules s'écrirait devant la formule, comme dans 3 CH4.
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Juste. La bonne réponse : Parce que sa formule réunit plusieurs atomes liés : un de soufre et quatre d'oxygène. Dans SO42−, le symbole S désigne le soufre et l'indice 4 compte quatre atomes d'oxygène : cinq atomes liés entre eux en tout. Un ion peut donc être un atome qui a gagné ou perdu des électrons, ou bien un groupe d'atomes liés qui porte une charge. Cette charge, écrite en haut à droite, ne change rien au nombre d'atomes.
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Juste. La bonne réponse : Le nombre de protons du noyau de l'atome de chlore. Ce nombre est le numéro atomique : il donne le nombre de protons du noyau. Comme l'atome est électriquement neutre, il donne du même coup son nombre d'électrons, 17. Le nombre de neutrons, lui, ne se lit pas dans la case : la classification donne le numéro atomique, le symbole et le nom de l'élément.
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Juste. La bonne réponse : Oui : c'est le nombre de protons du noyau qui définit l'élément chimique. Quand un atome devient un ion, seul son nombre d'électrons change ; son noyau garde tous ses protons. Or c'est le nombre de protons qui définit l'élément chimique. L'atome de potassium et l'ion potassium relèvent donc tous les deux de l'élément potassium, même si ce sont deux entités différentes.
Le chapitre en un paragraphe
★★★Le cours en un texte à trous
Un atome est constitué d'un noyau entouré d'électrons . Le noyau rassemble des protons, de charge positive, et des neutrons, qui n'ont pas de charge. Comme un atome compte autant d'électrons que de protons, il est électriquement neutre . Une molécule, elle, est un assemblage d'atomes liés entre eux , et elle ne porte pas de charge. Dans une formule, le petit nombre écrit en bas à droite compte les atomes du symbole qui le précède . Un ion se forme quand une entité gagne ou perd des électrons : un ion négatif en a gagné . Comme le nombre de protons du noyau ne change pas, l'entité relève toujours du même élément chimique qu'avant la transformation.
Les protons et les neutrons sont rassemblés dans le noyau ; les électrons se déplacent autour de lui. Un indice ne porte que sur le symbole placé juste avant lui : dans CO₂, le 2 compte les atomes d'oxygène, pas les atomes de carbone. Enfin, gagner des électrons, qui sont négatifs, rend une entité négative : c'est un anion. En perdre la rend positive : c'est un cation. Dans les deux cas, le noyau garde ses protons, et c'est lui qui décide de l'élément chimique.
Les modèles du laboratoire
★★★Lire un modèle, écrire une formule
Au laboratoire, on représente les molécules avec des modèles moléculaires : chaque boule est un atome, chaque bâtonnet une liaison entre deux atomes. Trois modèles, notés A, B et C, sont posés sur la table.
- boule noire : un atome de carbone
- boule blanche : un atome d’hydrogène
- boule rouge : un atome d’oxygène
- boule bleue : un atome d’azote
Données. Symboles des éléments : carbone , hydrogène , oxygène , azote . Noms et formules de quelques molécules : dioxygène , dihydrogène , diazote , eau , dioxyde de carbone , méthane .
- Écrire la formule chimique de chacun des trois modèles.
- Nommer les trois molécules à l’aide des données.
- Combien d’atomes compte en tout une molécule du modèle B ? Préciser de quels éléments.
- Aucune des trois formules ne porte le signe ni le signe . Qu’est-ce que cela indique sur ces trois entités ?
- Un élève écrit la formule du modèle A « ». Expliquer pourquoi cette écriture ne convient pas.
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1. On compte les boules de chaque couleur, on écrit le symbole de l’élément correspondant, puis l’indice qui donne le nombre d’atomes. Un seul atome ne prend pas d’indice.
- Modèle A : 1 boule noire, donc 1 atome de carbone, et 2 boules rouges, donc 2 atomes d’oxygène. Sa formule est .
- Modèle B : 1 boule noire, donc 1 atome de carbone, et 4 boules blanches, donc 4 atomes d’hydrogène. Sa formule est .
- Modèle C : 2 boules bleues, donc 2 atomes d’azote. Sa formule est .
2. D’après les données : le modèle A est le dioxyde de carbone, le modèle B le méthane et le modèle C le diazote.
- boule noire : un atome de carbone
- boule blanche : un atome d’hydrogène
- boule rouge : un atome d’oxygène
- boule bleue : un atome d’azote
3. Une molécule de méthane compte 1 atome de carbone et 4 atomes d’hydrogène, soit en tout, de deux éléments différents : le carbone et l’hydrogène.
4. La charge d’un ion s’écrit en haut à droite de sa formule. Aucune des trois formules n’en porte : ces trois entités sont électriquement neutres. Comme chacune réunit au moins deux atomes liés entre eux, ce sont bien des molécules, et non des ions ni des atomes isolés.
5. Un symbole chimique commence par une majuscule, suivie d’une minuscule s’il compte deux lettres. « » est donc un symbole à lui seul, celui du cobalt : l’écriture « » se lirait « deux atomes de cobalt liés entre eux ». Le modèle A réunit un atome de carbone et deux atomes d’oxygène : il s’écrit , avec deux majuscules.
Réflexe à retenir : une formule se lit de gauche à droite, symbole par symbole, et l’indice ne concerne que le symbole qu’il suit.
L'étiquette d'une eau minérale
★★★Type contrôle, avec un document à exploiter
Au supermarché, Léa compare les étiquettes des bouteilles d’eau. Celle qu’elle choisit donne la liste des entités chimiques dissoutes dans l’eau et leur teneur, c’est-à-dire la masse de chacune contenue dans un litre d’eau.
Source du Val Vert
Eau minérale naturelle · bouteille de 1,5 L
Analyse moyenne
- Calcium Ca2+80 mg/L
- Hydrogénocarbonate HCO3−350 mg/L
- Magnésium Mg2+24 mg/L
- Sulfate SO42−15 mg/L
- Sodium Na+10 mg/L
- Chlorure Cl−15 mg/L
- Potassium K+4,0 mg/L
- Nitrate NO3−3,0 mg/L
Résidu sec à 180 °C : 320 mg/L
Données. Symboles des éléments : calcium , magnésium , sodium , potassium , chlore , soufre , azote , carbone , oxygène , hydrogène . Le numéro atomique du calcium est .
- Relever, parmi les entités chimiques de l’étiquette, celles qui sont des cations et celles qui sont des anions. Justifier le classement.
- L’ion sulfate a pour formule . Quels atomes, et combien, forment cet ion ?
- Combien d’électrons possède l’atome de calcium ? Combien l’ion calcium en possède-t-il ? Et combien de protons ?
- Cette eau contient aussi des molécules d’eau . Quels atomes forment une molécule d’eau ? Pourquoi ne porte-t-elle pas de charge ?
- Une publicité annonce « une eau riche en calcium ». Cette eau contient-elle des atomes de calcium ? Que contient-elle exactement ?
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1. Un cation est un ion positif, un anion un ion négatif : il suffit de regarder le signe de la charge écrite en haut à droite de chaque formule.
- Cations (charge positive) : calcium , magnésium , sodium , potassium .
- Anions (charge négative) : hydrogénocarbonate , sulfate , chlorure , nitrate .
L’étiquette mêle les deux : le classement se fait sur le signe de la charge, pas sur l’ordre des lignes.
2. Le symbole désigne le soufre, sans indice : 1 atome de soufre. Le symbole porte l’indice 4 : 4 atomes d’oxygène. L’ion sulfate réunit donc liés entre eux, et l’ensemble porte 2 charges négatives : c’est un groupe d’atomes, pas un atome.
3. Le numéro atomique du calcium est 20 : le noyau de l’atome de calcium compte 20 protons. Un atome est électriquement neutre, donc il possède autant d’électrons que de protons, soit 20 électrons.
L’ion porte 2 charges positives : il lui manque 2 charges négatives, donc 2 électrons par rapport à l’atome.
L’ion calcium possède 18 électrons. Son noyau, lui, n’a pas changé : il compte toujours 20 protons.
Vérification des charges : 20 charges positives et 18 charges négatives donnent un bilan de 2 charges positives, ce qui correspond bien à l’écriture .
4. La formule se lit : 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène, soit 3 atomes liés entre eux. Aucune charge n’est écrite en haut à droite de cette formule : la molécule d’eau est électriquement neutre, comme toutes les molécules. Elle compte autant d’électrons que de protons.
5. Non : le calcium de cette eau n’est pas présent sous forme d’atomes de calcium, mais sous forme d’ions calcium , à raison de par litre d’eau d’après l’étiquette. L’atome de calcium et l’ion calcium ont le même noyau, avec 20 protons : ils relèvent du même élément chimique, le calcium. C’est cet élément que la publicité désigne en parlant de « calcium ». En toute rigueur, l’étiquette est plus précise que la publicité : elle écrit « calcium ».
Réflexe à retenir : un document ne se recopie pas, il se trie. Ici, une seule ligne de l’étiquette servait à la question 5, et la ligne « résidu sec » ne servait à aucune question.
Les trois réflexes à retenir
- Le signe dit ce qu’il reste, pas ce qui a été échangé. Un ion positif a perdu des électrons, un ion négatif en a gagné : ce sont les électrons qui sont échangés, pas les protons.
- L’indice ne concerne que le symbole juste avant lui. Dans , le 2 compte les atomes d’oxygène ; un nombre écrit devant la formule, lui, compte les molécules.
- C’est le noyau qui décide de l’élément. L’atome de calcium et l’ion calcium ont tous les deux 20 protons : même élément chimique, deux entités différentes.