3-Eléments-chimiques

Chapitre 31/4 Physique-Chimie 2e
3 - LES ÉLÉMENTS CHİMİQUES PRÉSENTS
DANS L'UNİVERS
Dans le chapitre 1, nous avons mis en évidence la présence d'atomes et d'ions partout dans
l'Univers. Au collège, on vous a donné une première description des atomes et des ions. Nous
nous proposons d'affiner cette description.
A) Constitution d'un atome
1) Utilisez vos connaissances du collège pour faire une
description, à l'échelle microscopique, d'un ruban de cuivre
(réponse orale collective).
2) Précisons vos connaissances concernant l'atome de
cuivre. Selon les chimistes, dans un atome de cuivre, de
symbole Cu, 29 électrons gravitent autour du noyau. Ce
noyau contient deux sortes de particules : des protons et
des neutrons. Les particules constituant le noyau sont
appelées des nucléons. Le noyau d'un atome de cuivre
contient 29 protons et 34 neutrons.
a) Que constatez-vous de particulier concernant le
nombre de chacune des particules constituant cet atome de
cuivre ?
b) Combien de nucléons comporte le noyau de l'atome
de cuivre ?
c) Les chimistes représentent le noyau de cet atome de
cuivre par le symbole : .
Que représentent les nombres 29 et 63 dans ce symbole ?
3) Dans la question 1, vous avez rappelé que les électrons
sont chargés négativement et que les atomes sont
électriquement neutres (dire qu'un corps est électriquement
neutre est une manière différente de dire que sa charge
électrique est nulle).
a) Que peut-on en conclure concernant le signe de la
charge électrique du noyau d'un atome ?
b) Plus précisément, en vous basant sur leurs noms
(protons et neutrons), quels sont les particules du noyau qui
sont électriquement chargés ?
c) Une charge électrique est une grandeur physique qui
s'exprime avec une unité appelée coulomb (symbole C).
Les chimistes ont établi que :
• la charge électrique d'un électron est de -1,60.10-19 C ;
• la charge électrique d'un proton est de +1,60.10-19 C.
La valeur 1,60.10-19 C est appelée charge élémentaire et
notée e : e = 1,60.10-19 C.
Donnez l'expression de la charge électrique d'un électron en
fonction de e ; donnez de même l'expression de la charge
électrique d'un proton en fonction de e.
4) Les chimistes ont déterminé la masse de chacun des
types de particules présentes dans un atome. Ils ont obtenu
les valeurs suivantes :
• masse d'un proton : mp ≈ 1,673.10-27 kg ;
• masse d'un neutron : mn ≈ 1,675.10-27 kg ;
• masse d'un électron : me ≈ 9,109.10-31 kg.
a) Comparez la masse d'un proton et celle d'un neutron.
b) Combien de fois la masse d'un proton est-elle
supérieure à celle d'un électron ?
c) Calculez la masse d'un atome de cuivre puis la masse
du noyau d'un atome de cuivre. Que constatez-vous?
5) Vous retiendrez les définitions et propriétés suivantes.
• Les atomes sont constitués d'un noyau central autour
duquel gravitent des électrons (fig.2 et 3).
• Le noyau d'un atome est constitué de nucléons : les
protons et les neutrons. Le nombre de protons est égal
au nombre d'électrons gravitant autour du noyau.
• Le noyau d'un atome de symbole X est représenté par
l'expression où A est le nombre de nucléons et Z le
nombre de protons (Z est aussi appelé numéro
atomique).
Remarque : dans un atome, le nombre de protons est égal
au nombre d'électrons gravitant autour du noyau ; le numéro
atomique Z représente donc également le nombre
d'électrons de l'atome.
• Les électrons sont chargés négativement, les protons
positivement, les neutrons sont électriquement neutres.

Chapitre 32/4 Physique-Chimie 2e
•Un électron porte une charge électrique -e et un proton
une charge électrique +e (e est la charge élémentaire ;
sa valeur est 1,60.10-19 coulomb).
• Un atome est électriquement neutre.
• La masse d'un atome est pratiquement égale à celle de
son noyau.
B) Répartition des électrons dans un
atome
Les électrons qui gravitent autour du noyau d'un atome ne
se répartissent pas de manière quelconque dans cet atome.
Les chimistes ont établi que la répartition se fait en suivant
des règles relativement complexes. En classe de seconde
vous retiendrez les deux règles simples suivantes :
•les électrons se répartissent autour du noyau par
"couches" que l'on note K, L, M … ; chaque couche ne
peut contenir qu'un nombre limité d'électrons : K → 2,
L→ 8, M → 18 … ;
•pour les atomes de numéro atomique inférieur à 18, les
électrons sont répartis sur les différentes couches en
commençant par la couche K jusqu'à ce qu'elle soit
remplie, puis on remplit la couche L, etc …
La couche externe est la dernière couche contenant des
électrons. Les autres couches sont appelées couches
internes.
fig.2 : surface de carbone observée au microscope électronique ;
on observe les atomes de carbone associés en formant des
hexagones.
fig.3 : représentation très schématique d'un atome (échelles
non respectées)
électron
proton
40
trim.4e trim.
Est
Ouest
Nord
neutron nucléons
1) Appliquez ces règles pour donner la répartition des
électrons dans :
a) un atome d'hydrogène sachant qu'il ne comporte
qu'un seul électron;
b) un atome de carbone sachant qu'il comporte 6
électrons;
c) un atome d'aluminium sachant qu'il comporte 13
électrons.
2) Pour traduire simplement la répartition des électrons dans
un atome de carbone qui a 2 électrons dans la couche K et
4 électrons dans la couche L, on dit que sa structure
électronique est : (K)2(L)4.
Écrivez les structures électroniques de l'atome d'hydrogène
et de l'atome d'aluminium.
3) Combien d'électrons comporte la couche externe de
l'atome :
a) d'aluminium ?
b) de carbone ?
c) d'hydrogène ?
C) Isotopes
Dans la question B2, nous avons dit que le ruban de cuivre
est constitué d'atomes de cuivre comportant chacun
63 nucléons dans leur noyau. En réalité, ce ruban de cuivre
contient également (à 30 %) des atomes de cuivre dont le
noyau comporte 65 nucléons ; les deux nucléons
supplémentaires sont des neutrons.
1) Nous avons représenté le noyau de l'atome de cuivre à
63 nucléons par le symbole .
Quel est le symbole du noyau de l'atome de cuivre ayant
65 nucléons ?
2) Les deux types d'atome de cuivre présentés ci-dessus
(avec 63 ou 65 nucléons) sont appelés des isotopes. La
plupart des atomes dans la nature possède un ou plusieurs
isotopes. Retenez la définition suivante.
On appelle isotopes des atomes ayant le même numéro
atomique Z mais des nombres de nucléons A différents.
Faites des recherches vous permettant de donner le nombre
d'isotopes de l'atome de carbone ainsi que la formule du
noyau de chacun de ces isotopes.
D) Ions monoatomiques
1) Utilisez vos connaissances du collège pour faire une
description, à l'échelle microscopique, de la solution bleue
obtenue à la fin de la transformation chimique de la question
A1 (action de l'acide nitrique sur le ruban de cuivre ; réponse
orale collective).

Chapitre 33/4 Physique-Chimie 2e
2) On peut montrer que …
- le précipité bleu de la transformation chimique du
TP (action de la soude sur le liquide bleu) ;
- le solide noir de la transformation chimique du TP
(chauffage du précipité bleu) ;
- la solution bleu-verte de la transformation
chimique (action de l'acide chlorhydrique sur le solide
noir) ;
… contiennent, comme la solution bleue apparue dans
l'expérience du paragraphe A1, des ions cuivre.
Rappelons la définition générale d'un ion monoatomique.
Un ion monoatomique est formé à partir d'un atome qui
a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons.
Les chimistes ont établi que l'ion cuivre des transformations
chimiques que vous avez réalisées est formé à partir d'un
atome de cuivre qui a perdu 2 électrons.
Calculez, en fonction de la charge élémentaire e, la charge
électrique de cet ion cuivre en la considérant comme la
somme des charges électriques des particules qui
constituent cet ion.
3) Dans la question précédente, vous avez montré que la
charge de l'ion cuivre est +2e. Ceci a amené les chimistes à
représenter cet ion par le symbole Cu2+.
a) Donnez directement le symbole de l'ion sulfure
sachant qu'il résulte d'un atome de soufre (symbole S) ayant
gagné 2 électrons.
b) Donnez directement le symbole de l'ion sodium
sachant qu'il résulte d'un atome de sodium (symbole Na)
ayant perdu 1 électron.
c) Remarque : il existe des ions qui ne sont pas
monoatomiques, comme par exemple l'ion sulfate dont le
symbole est ; cet ion n'est pas qualifié de
monoatomique car il est formé à partir de plusieurs atomes :
1 atome de soufre (de symbole S) et 4 atomes d'oxygène (de
symbole O), l'ensemble portant une charge -2e.
E) Élément chimique
1) À la fin des cinq transformations chimiques dans notre
TP, nous avions conclu que le ruban de cuivre, les
solutions bleues et vertes, le précipité bleu et le solide
noir ont "quelque chose" en commun.
Formulez une hypothèse sur la nature de ce "quelque
chose".
2) Cette observation a amené les chimistes à définir la
notion d'élément chimique.
On appelle élément chimique l'ensemble des entités
chimiques (atomes ou ions monoatomiques) ayant le
même numéro atomique Z.
Dans les cinq transformations chimiques du TP, le ruban de
cuivre, les solutions bleues, le précipité bleu et le solide
noir ont donc en commun un élément chimique appelé
élément cuivre que l'on symbolise Cu et caractérisé par le
numéro atomique Z = 29.
Dans l'Univers, on a identifié 94 éléments chimiques
différents. Chacun est caractérisé par son symbole et son
numéro atomique. La fig.4 donne les symboles et les
numéros atomiques de quelques éléments courants.
Vous constatez que les symboles sont constitués d'une ou
de deux lettres provenant du nom de l'élément (qui n'est pas
forcément en français usuel). La première lettre est
majuscule ; la deuxième, quand elle existe, est minuscule.
Faites les recherches vous permettant de donner l'origine
des symboles des éléments azote (N), sodium (Na) et
potassium (K).
3) Nous pouvons également traduire les observations faites
au cours des cinq transformations chimiques du
TP par la propriété suivante que vous retiendrez.
Au cours d'une transformation chimique, un élément
chimique se conserve.
fig.4

Chapitre 34/4 Physique-Chimie 2e
Exercice
Le symbole du noyau d'un atome de chlore est .
1) Donnez une description de cet atome de chlore.
2) Déterminez, en fonction de la charge élémentaire e, la
charge électrique portée par :
a) le noyau de cet atome ;
b) l'ensemble des électrons de cet atome ;
c) cet atome.
3) Déterminez la masse de cet atome de chlore.
Données :
•masse d'un proton : mp ≈ 1,673.10-27 kg ;
•masse d'un neutron : mn ≈ 1,675.10-27 kg.
4) a) Donnez la structure électronique d'un atome de chlore.
b) Quelle est la couche externe de cet atome ? Quelles
sont ses couches internes ?
c) Combien cet atome possède-t-il d'électrons sur sa
couche externe ?
5) L'atome de chlore dont nous parlons depuis le début de
l'exercice possède un isotope dont le noyau comporte deux
neutrons supplémentaires.
a) Donnez le symbole du noyau de cet isotope.
b) Déterminez la masse de cet isotope et comparez-la à
celle de l'atome de chlore déterminée dans la question 3.
6) a) Donnez le symbole de l'ion chlorure sachant qu'il
résulte d'un atome de chlore ayant gagné 1 électron.
b) Déterminez la structure électronique de cet ion
sachant que la structure électronique d'un ion se détermine
en appliquant les mêmes règles que pour la détermination
de la structure électronique d'un atome.
c) Combien cet ion possède-t-il d'électrons sur sa couche
externe ?