fiche d`AP 7b - cours

AP2nde – Fiche 07b – La structure électronique des atomes et des ions
Données : masses : m(n) ≈ m(p) ; m(p) = 1,67.10–27 kg ; m(e–) = 9,11.10–31 kg ;
charge élémentaire e = 1,6.10–19 C ; charge d'un proton q = e ; charge d'un électron q = –e
Symbole et numéro atomique de certains gaz nobles : Z(He) = 2 ; Z(Ne) = 10 ; Z(Ar) = 18 ; Z(Kr) = 36
Exercice 1 : Structure électronique
Donner la structure électronique des éléments chimiques suivants.
12
1) L’atome de carbone 12 6 C
14
4) L’atome d’azote 7 N
20
40
2) L’atome de néon 10Ne
3) L’atome d’argon 18Ar
4
1
5) L’atome d’hélium 2He
6) L’atome d’hydrogène 1H
Exercice 2 : Composition et structure électronique de l’atome de silicium
La croûte terrestre est composée à 26% en masse de silicium (Si).Les caractéristiques d’un noyau de silicium sont A = 28 et Z = 14.
a.
Déterminer la composition de l’atome de silicium.
c.
Dénombrer alors le nb d’e– sur sa couche externe.
b.
En déduire sa structure électronique.
d.
Calculer la masse de son noyau.
Exercice 3 : L’atome de magnésium
La structure électronique de l’atome de magnésium est (K)2 (L)8 (M)2
a.
Combien d’électrons l’atome de magnésium possède–t–il sur sa couche externe ?
b.
Combien de protons possède–t–il ?
c.
L’élément chimique magnésium est noté Mg. Son nombre de masse (nombre de nucléons) est 24.
Quel est le symbole de l’atome de magnésium ?
Exercice 4 : A la recherche du gaz noble le plus proche
Dans certaines conditions, un atome se transforme de manière à ce que son nombre d’électrons devienne égal au
nombre d’électrons du gaz noble le plus proche. Compléter le tableau suivant.
Symbole de l’élément
Li
Al
O
Br
Numéro atomique Z
3
13
8
35
Gaz noble le plus proche
Nombre d’électrons gagnés ou perdus par l’atome
Formule de l’ion
Exercice 5 : A qui perd gagne
Compléter le tableau suivant.
Atome
Perd/gagne des électrons
Nombre d’électrons perdus ou gagnés
Formule de l’ion
Nature
Mg
Perd
2
I
S
Fe
2
3
Anion
Cation
I–
Exercice 6 : Autour du lait
Le Guide alimentaire canadien recommande que les adultes prennent deux portions de produits laitiers par jour, trois pour
ceux qui sont âgés de 51 ans et plus, du fait, notamment de leur très grande richesse en calcium: une tasse (250 ml) de lait
à 2% en fournit 302 mg. (À noter que l’apport quotidien recommandé pour les femmes âgées de 19 à 51 ans est de 1000
mg par jour.) En outre, le lait renferme d’autres minéraux et des vitamines, notamment du magnésium, du potassium, du
zinc, des vitamines A et K et la plupart des vitamines B.
Le lait est également riche en protéines, (...). «Une tasse en fournit neuf grammes, ce qui est énorme.» C’est plus que deux
tranches de poitrine de dinde, qui en fournissent huit grammes.
Source : http://www.plaisirssante.ca/
Les molécules suivantes sont présentes dans le lait : Eau H 2O ; glucide C12H22O11 ; lipide (oméga3) C18H30O2 ; protéine
(acides aminés) C6H13O2N et C6H14O2N2
1- A partir des documents, donner le nom et le symbole des éléments chimiques présents dans le lait.
2- Comment définit-on un élément chimique?
3- Parmi la liste d'entités chimiques suivantes, indiquer celles qui contiennent l'élément oxygène. (À surligner)
C12H22O11;
O2-;
Co;
CuSO4;
O2 ;
CaCl2
4- Les minéraux sont le plus souvent sont sous leur forme ionique. L’élément magnésium 12Mg est sous la forme Mg2+.
a) Retrouver le nombre d'électrons de l'ion magnésium.
b) Donner la structure électronique de l'atome de magnésium puis celle de sa forme ionique.
c) Expliquer à partir de la réponse précédente, pourquoi le seul ion formé par l'élément magnésium est l'ion Mg 2+.
d) Certains laits infantiles sont enrichis en fluor 9F pour prévenir les caries. L'élément fluor y apparaît sous forme
ionique. Retrouver la formule de cet ion (à justifier)
Exercice 7 : l'élément sélénium
Le sélénium est un oligo-élément qui possède des propriétés anti-oxydantes et pourrait prévenir la survenue de certains
cancers. Il entre dans la composition de nombreux compléments alimentaires.
Si cette fonction anti-oxydante du sélénium ne fait aucun doute, il reste à en définir les applications et surtout l’avantage
d’éventuelles supplémentations. Ainsi, des doses quotidiennes suffisantes de 200 microgrammes de sélénium pourraient
faire diminuer le risque de certains cancers, comme celui de la prostate. Des études ont également montré les bénéfices du
sélénium et d’autres antioxydants dans la prévention des cancers, chez les hommes.
Le sélénium est toxique à trop forte dose. Il peut entraîner des nausées, des diarrhées, une fragilisation des ongles, la perte
des cheveux ou de la fatigue. Les recommandations américaines indiquent une dose quotidienne maximale à 400 µg/jour, or
la supplémentation avec gélules ou comprimés atteint facilement 200 µg/jour, en plus de l'apport nutritionnel, ce qui expose
à un risque de surdosage.
Un atome de sélénium de symbole Se a un noyau dont la charge électrique est Q noyau = 5,44.10-18C et sa masse est d'environ
1,35.10-25 kg. Il est situé dans l’antépénultième (avant avant dernière) colonne du tableau périodique, dans la même colonne
que l’élément oxygène 8O ou soufre 16S.
1- Après avoir fait les calculs nécessaires, donner la représentation symbolique du sélénium.
2- Combien d'atomes de sélénium contient la dose quotidienne maximale ? (donnée : 1 µg = 10-6 g)
3- En quoi l'absorption de sélénium peut être bonne pour la santé ?
4- Pourquoi un apport quotidien sous forme de comprimé peut être dangereux pour la santé ?
5- Donner l'ion formé par l'élément sélénium. (À justifier)
Correction AP2nde – Fiche 07b – La structure électronique des atomes et des ions
Exercice 1 :
12
1) 6 C : Z = 6 donc l’atome de carbone a 6 p et 6 e – .
4)7 N
La structure électronique est (K)2 (L)4
20
2) 10Ne : Z = 10 donc l’atome de néon a 10 p et 10 e– .
La structure électronique est (K)2 (L)5
4
5 ) 2He : Z = 2 donc l’atome d’hélium a 2 p et 2 e– .
La structure électronique est (K)2 (L)8
40
3 ) 18Ar : Z = 18 donc l’atome d’argon a 18 p et 18 e– .
La structure électronique est (K)2
1
6 ) 1H : Z = 1 donc l’atome d’hydrogène a 1 p et 1 e– .
La structure électronique est (K)2 (L)8 (M)8
14
: Z = 7 donc l’atome d’azote a 7 p et 7 e – .
La structure électronique est (K)1
Exercice 2 :
a) Z = 14 donc 14 p
; A – Z = 28–14 = 14 n ; Dans un atome, les nombres de p et d’e– sont égaux donc il y a 14 e–.
b) La structure électronique de l’atome de silicium est donc (K)2 (L)8 (M)4
c ) Le nombre d’électrons sur la couche externe (dernière couche contant des e–) est de 4.
d) m(noyau Si) = 14.m(p) + 14.m(n) = 14x1,67.10 –27 + 14x1,67.10–27 = 4,68.10–26 kg
Exercice 3 :
a) Le nombre d’électrons sur la couche externe (dernière couche contant des e –) est de 2.
b) Dans un atome, les nombres de p et d’e – sont égaux. Il y a 2+8+2 = 12 e – donc il y a 12 e–.
c ) A = 24 donc
24
Mg
12
Exercice 4 :
Symbole de l’élément
Numéro atomique Z
Gaz noble le plus proche
Nombre d’électrons gagnés ou perdus par l’atome
Formule de l’ion
Li
3
He
1 perdu
Al
13
Ne
3 perdus
O
8
Ne
2 gagnés
Br
35
Kr
1 gagné
Li +
Al 3+
O 2–
Br –
Exercice 5 :
Atome
Perd/gagne des électrons
Nombre d’électrons perdus ou gagnés
Formule de l’ion
Nature
Mg
Perd
2
Mg2+
Cation
I
Gagne
1
I–
Anion
S
Gagne
2
S 2–
Anion
Fe
Perd
3
Fe3+
Cation
Exercice 6 :
1)
C : carbone
H : hydrogène O : oxygène
N : azote
Zn : zinc
K : potassium Mg : magnésium
2) On donne le nom d'élément chimique à l'ensemble des particules caractérisées par le même numéro atomique Z c'est
à dire par le nombre de protons dans le noyau.
3) C12H22O11, O2-, CuSO4 et O2 contiennent l’élément oxygène O.
4.a) Le magnésium a un nombre atomique Z = 12 donc l’atome de magnésium a 12 p. Comme dans un atome, les
nombres de p et d’e– sont égaux, l’atome de magnésium a 12 e–.
L’ion magnésium Mg2+ a perdu 2 électrons donc il a 12–2 = 10 e–.
4.b) La structure électronique de l’atome de magnésium Mg est (K)2 (L)8 (M)2.
La structure électronique de l’ion magnésium Mg2+ est (K)2 (L)8.
4.c) L’ion magnésium Mg2+ a sa structure électronique stable car la couche externe (dernière couche) est saturée.
L’atome de magnésium pourrait aussi gagner 6 e– pour avoir sa couche externe saturée mais cela engage trop
d’électrons donc le seul ion possible est Mg2+.
4.d) L’atome de fluor a 9 p (Z=9) et donc 9 e–. Ainsi sa structure électronique de l’atome de fluor F est (K)2 (L)7.
Pour avoir sa couche externe saturée, il faut que l’atome de fluor F gagne 1 e – (structure électronique de l’ion est
(K)2 (L)8). La formule de l’ion est F–.
Exercice 7 :
1) La masse de l’atome de sélénium est égale à la masse de tous les nucléons (la masse des électrons est négligeable).
m(atome Se) 1,35.10–25
On a donc m(atome Se) = A.m(nucléon) donc A =
=
= 81 nucléons
m(nucléon) 1,67.10–27
La charge du noyau est égale à la charge de tous les protons (les neutrons n’ont pas de charges électriques)
Q(noyau Se) 5,44.10–18
On a donc Q(noyau Se) = Z.q(proton)=Z.e donc Z =
=
= 34 protons
e
1,6.10–19
81
L’élément Sélénium a donc pour symbole : 34Se
2) Dose maximale : 400 µg/jour
et
400 µg = 400.10–6 g
Un atome de sélénium a une masse de 1,35.10–25 kg = 1,35.10–25.103 g = 1,35.10–22 g
dose maximale
400.10–6
Donc le nombre d’atome =
=
= 2,96.1018 atomes de Se
masse d'un atome de Se 1,35.10–22
3) L’absorption de sélénium diminue les risques de cancers.
4) Un excès de sélénium entraine des nausées, des diarrhées, une perte de cheveu ou de la fatigue.
5) L’oxygène a 8 électrons (Z=8 donc 8p et 8e–) donc sa structure électronique est (K)2 (L)6
Le soufre a 16 électrons (Z=16 donc 16p et 16e–) donc sa structure électronique est (K)2 (L)8 (M)6
Il manque 2 e– à ces 2 éléments chimiques pour avoir leur couche externe complète donc les ions formés sont O2– et
S2–. L’élément sélénium est dans la même colonne que les éléments oxygène et soufre donc l’ion sélénium a la même
charge électrique que les ions oxygène et soufre : Se2–.