Seconde · Physique-chimie

Atomes, noyaux et éléments chimiques

Chapitre 3

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Ces 15 questions sur Atomes, noyaux et éléments chimiques alternent observations, calculs et décisions expérimentales. Plusieurs propositions peuvent être exactes. Prévois du papier et un stylo.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

Carbone d’un échantillon de graphite

On examine un nucléide présent dans un solide carboné. Son noyau est noté ¹²₆C. Quelles déductions sont exactes ?

Le nombre 6 de neutrons permet à lui seul de déterminer l’élément. Le noyau de ce carbone contient 12 neutrons. Le noyau contient 6 protons. Un atome neutre de ce nucléide possède 12 électrons. Le noyau contient 12 protons.

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Réponse attendue : C

A — Faux. Non. L’identité chimique dépend de Z, ici 6 protons. Des éléments différents peuvent avoir un même nombre de neutrons.
B — Faux. Le nombre de neutrons se calcule par A − Z = 12 − 6 = 6 ; douze est le nombre de nucléons.
C — Vrai. Oui. Le numéro atomique Z = 6 est le nombre de protons ; il identifie l’élément C. Le 12 placé en haut compte protons et neutrons réunis, sans modifier Z.
D — Faux. Un atome neutre a autant d’électrons que de protons : Z = 6 impose six électrons, pas douze. Le nombre 12 désigne tous les nucléons du noyau, pas les charges négatives autour de lui.
E — Faux. Non. A = 12 compte protons et neutrons. Les protons sont au nombre de Z = 6. On obtient aussi 12 − 6 = 6 neutrons, ce qui confirme la décomposition de A.

Méthode à retenir. Lire d’abord A = 12 et Z = 6 ; calculer N = A − Z ; ne déduire le nombre d’électrons de Z que pour un atome neutre.

Question 2

Carbone d’une datation

Un deuxième nucléide de carbone est utilisé comme traceur. Son noyau est noté ¹⁴₆C. Quelles déductions sont exactes ?

Il contient 8 neutrons. Le noyau contient 14 protons. Un atome neutre de ce nucléide possède 6 électrons. Le nombre 8 de neutrons permet à lui seul de déterminer l’élément. Le noyau contient 6 protons.

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Réponse attendue : A, C, E

A — Vrai. Oui. Le nombre de nucléons est A = 14. Donc N = A − Z = 14 − 6 = 8 neutrons.
B — Faux. Non. A = 14 compte protons et neutrons. Les protons sont au nombre de Z = 6. Les huit autres nucléons sont des neutrons : 14 − 6 = 8.
C — Vrai. Oui. Sa charge totale doit être nulle : 6 charges positives de protons sont compensées par 6 électrons. Les huit neutrons du noyau ne portent aucune charge et ne changent pas ce comptage.
D — Faux. Non. L’identité chimique dépend de Z, ici 6 protons. Des éléments différents peuvent avoir un même nombre de neutrons.
E — Vrai. Oui. Le numéro atomique Z = 6 est le nombre de protons ; il identifie l’élément C. La datation exploite un isotope différent, mais ce nombre de protons reste celui du carbone.

Méthode à retenir. Lire d’abord A = 14 et Z = 6 ; calculer N = A − Z ; ne déduire le nombre d’électrons de Z que pour un atome neutre.

Question 3

Oxygène d’une molécule d’eau

Une analyse décrit l’oxygène majoritaire dans l’eau. Son noyau est noté ¹⁶₈O. Quelles déductions sont exactes ?

Il contient 8 neutrons. Le noyau contient 8 protons. Un atome neutre de ce nucléide possède 8 électrons. Le nombre 8 de neutrons permet à lui seul de déterminer l’élément. Le noyau contient 16 protons.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. Le nombre de nucléons est A = 16. Donc N = A − Z = 16 − 8 = 8 neutrons.
B — Vrai. Oui. Le numéro atomique Z = 8 est le nombre de protons ; il identifie l’élément O. Le symbole O et l’indice inférieur 8 doivent donc se lire ensemble.
C — Vrai. Oui. Sa charge totale doit être nulle : 8 charges positives de protons sont compensées par 8 électrons. Le nombre de masse 16 n’intervient pas dans cette compensation électrique.
D — Faux. Non. L’identité chimique dépend de Z, ici 8 protons. Des éléments différents peuvent avoir un même nombre de neutrons.
E — Faux. Non. A = 16 compte protons et neutrons. Les protons sont au nombre de Z = 8. Les huit nucléons restants sont des neutrons, car 16 − 8 = 8.

Méthode à retenir. Lire d’abord A = 16 et Z = 8 ; calculer N = A − Z ; ne déduire le nombre d’électrons de Z que pour un atome neutre.

Question 4

Sodium d’un sel

On considère le noyau d’un atome de sodium avant ionisation. Son noyau est noté ²³₁₁Na. Quelles déductions sont exactes ?

Le nombre 12 de neutrons permet à lui seul de déterminer l’élément. Le noyau contient 11 protons. Un atome neutre de ce nucléide possède 11 électrons. Le noyau contient 23 protons. Il contient 12 neutrons.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Non. L’identité chimique dépend de Z, ici 11 protons. Des éléments différents peuvent avoir un même nombre de neutrons.
B — Vrai. Oui. Le numéro atomique Z = 11 est le nombre de protons ; il identifie l’élément Na. Le nombre de masse 23 additionne ensuite ces protons aux douze neutrons.
C — Vrai. Oui. Sa charge totale doit être nulle : 11 charges positives de protons sont compensées par 11 électrons. Les douze neutrons de ce nucléide sont sans effet sur la neutralité électrique.
D — Faux. Non. A = 23 compte protons et neutrons. Les protons sont au nombre de Z = 11. Douze neutrons complètent ces onze protons pour atteindre le total de 23 nucléons.
E — Vrai. Oui. Le nombre de nucléons est A = 23. Donc N = A − Z = 23 − 11 = 12 neutrons.

Méthode à retenir. Lire d’abord A = 23 et Z = 11 ; calculer N = A − Z ; ne déduire le nombre d’électrons de Z que pour un atome neutre.

Question 5

Le sodium d’une solution

Du chlorure de sodium est dissous dans l’eau. Un noyau de nombre de masse A = 23 et de numéro atomique Z = 11 appartient à l’ion Na⁺, de charge +1 fois la charge élémentaire. Quelles descriptions conviennent ?

Le noyau comporte 12 neutrons. L’ion contient 10 électrons. Le noyau contient 11 protons. Le noyau contient 10 protons, autant que l’ion a d’électrons. C’est un cation.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Oui. N = A − Z = 23 − 11 = 12; la charge de l’ion ne change pas cette composition nucléaire.
B — Vrai. Oui. Nombre d’électrons = Z − charge algébrique en multiples de e = 11 − (+1) = 10.
C — Vrai. Oui. L’ionisation modifie le cortège électronique, pas le numéro atomique Z = 11. L’ion Na⁺ conserve donc son identité d’élément sodium malgré l’électron perdu.
D — Faux. Non. Le nombre de protons reste Z = 11, tandis que le nombre d’électrons de l’ion est 10.
E — Vrai. Oui. La charge totale est +1 e : positive, donc c’est un cation obtenu par perte d’électrons. Le signe positif provient de onze protons pour seulement dix électrons.

Méthode à retenir. Pour une charge +q e, retirer q électrons ; pour −q e, en ajouter q. Le noyau conserve Z protons et A − Z neutrons.

Question 6

L’ion chlorure

On considère l’ion négatif du sel dissous. Un noyau de nombre de masse A = 35 et de numéro atomique Z = 17 appartient à l’ion Cl⁻, de charge -1 fois la charge élémentaire. Quelles descriptions conviennent ?

L’ion contient 18 électrons. C’est un anion. Le noyau contient 18 protons, autant que l’ion a d’électrons. Le noyau contient 17 protons. Le noyau comporte 18 neutrons.

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Réponse attendue : A, B, D, E

A — Vrai. Oui. Nombre d’électrons = Z − charge algébrique en multiples de e = 17 − (-1) = 18.
B — Vrai. Oui. La charge totale est -1 e : négative, donc c’est un anion obtenu par gain d’électrons. Le noyau garde dix-sept protons tandis que dix-huit électrons entourent cet ion.
C — Faux. Non. Le nombre de protons reste Z = 17, tandis que le nombre d’électrons de l’ion est 18.
D — Vrai. Oui. L’ionisation modifie le cortège électronique, pas le numéro atomique Z = 17. Le gain d’un électron explique la charge négative sans ajouter de proton.
E — Vrai. Oui. N = A − Z = 35 − 17 = 18; la charge de l’ion ne change pas cette composition nucléaire.

Méthode à retenir. Pour une charge +q e, retirer q électrons ; pour −q e, en ajouter q. Le noyau conserve Z protons et A − Z neutrons.

Question 7

L’ion magnésium

Une solution contient l’ion magnésium. Un noyau de nombre de masse A = 24 et de numéro atomique Z = 12 appartient à l’ion Mg²⁺, de charge +2 fois la charge élémentaire. Quelles descriptions conviennent ?

Le noyau comporte 12 neutrons. Le noyau contient 10 protons, autant que l’ion a d’électrons. Le noyau contient 12 protons. C’est un cation. L’ion contient 10 électrons.

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Réponse attendue : A, C, D, E

A — Vrai. Oui. N = A − Z = 24 − 12 = 12; la charge de l’ion ne change pas cette composition nucléaire.
B — Faux. Non. Le nombre de protons reste Z = 12, tandis que le nombre d’électrons de l’ion est 10.
C — Vrai. Oui. L’ionisation modifie le cortège électronique, pas le numéro atomique Z = 12. La charge 2+ provient de deux électrons retirés, sans intervention du noyau.
D — Vrai. Oui. La charge totale est +2 e : positive, donc c’est un cation obtenu par perte d’électrons. Douze charges protoniques restent compensées par dix électrons seulement.
E — Vrai. Oui. Nombre d’électrons = Z − charge algébrique en multiples de e = 12 − (+2) = 10.

Méthode à retenir. Pour une charge +q e, retirer q électrons ; pour −q e, en ajouter q. Le noyau conserve Z protons et A − Z neutrons.

Question 8

L’ion oxyde

On examine l’ion monoatomique dans un composé solide. Un noyau de nombre de masse A = 16 et de numéro atomique Z = 8 appartient à l’ion O²⁻, de charge -2 fois la charge élémentaire. Quelles descriptions conviennent ?

Le noyau contient 10 protons, autant que l’ion a d’électrons. C’est un anion. Le noyau contient 8 protons. L’ion contient 10 électrons. Le noyau comporte 8 neutrons.

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Réponse attendue : B, C, D, E

A — Faux. Non. Le nombre de protons reste Z = 8, tandis que le nombre d’électrons de l’ion est 10.
B — Vrai. Oui. La charge totale est -2 e : négative, donc c’est un anion obtenu par gain d’électrons. Huit protons et dix électrons donnent bien une charge nette −2e.
C — Vrai. Oui. L’ionisation modifie le cortège électronique, pas le numéro atomique Z = 8. Les deux électrons gagnés restent à l’extérieur du noyau.
D — Vrai. Oui. Nombre d’électrons = Z − charge algébrique en multiples de e = 8 − (-2) = 10.
E — Vrai. Oui. N = A − Z = 16 − 8 = 8; la charge de l’ion ne change pas cette composition nucléaire.

Méthode à retenir. Pour une charge +q e, retirer q électrons ; pour −q e, en ajouter q. Le noyau conserve Z protons et A − Z neutrons.

Question 9

Deux atomes de carbone

Deux atomes neutres ont pour noyaux ¹²₆C et ¹³₆C. Lesquelles de ces phrases caractérisent correctement leur lien ?

Leurs noyaux comptent exactement autant de neutrons. Chaque atome neutre possède 6 électrons. Ce sont deux isotopes du carbone. Leurs charges nucléaires sont différentes parce que leurs nombres de masse diffèrent. Ils appartiennent au même élément chimique.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Non. Pour le carbone 12, N = 12 − 6 = 6 ; pour le carbone 13, N = 13 − 6 = 7.
B — Vrai. Oui. Chacun a 6 protons, compensés par 6 électrons puisque les deux atomes sont neutres. La différence de masse entre les isotopes vient ici des neutrons, pas des électrons.
C — Vrai. Oui. Même Z = 6 et nombres de masse différents, A = 12 et 13 : ce sont des isotopes.
D — Faux. Non. La charge du noyau vaut +Ze = +6e pour les deux ; seuls les nombres de neutrons diffèrent.
E — Vrai. Oui. Ils ont Z = 6 protons chacun ; Z définit l’élément carbone. Leurs nombres de neutrons, six et sept, peuvent pourtant différer.

Méthode à retenir. Pour les isotopes, comparer Z puis A : Z identique établit le même élément ; A différent révèle un nombre de neutrons différent.

Question 10

Un élément après réaction chimique

Lorsqu’un atome de chlore devient un ion chlorure Cl⁻ au cours d’une transformation, quels changements sont possibles sans transformation nucléaire ?

Le noyau conserve 17 protons. Il gagne un proton. Il gagne un électron. L’élément chlore est conservé. La charge du noyau devient négative.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. Le passage de Cl à Cl⁻ modifie les électrons, sans changer Z = 17. Si ce nombre changeait, on ne parlerait plus de l’élément chlore.
B — Faux. Non. Un proton supplémentaire modifierait Z et l’identité de l’élément : ce n’est pas une simple ionisation chimique.
C — Vrai. Oui. L’atome neutre de chlore a 17 électrons ; Cl⁻ en a 18, d’où la charge −e.
D — Vrai. Oui. La conservation du numéro atomique Z = 17 indique qu’il s’agit toujours de l’élément chlore. La transformation ne fait que changer le nombre d’électrons autour du noyau.
E — Faux. Non. Son noyau contient toujours des protons positifs ; la charge totale de l’ion est négative parce qu’il possède un électron supplémentaire.

Méthode à retenir. Distinguer la charge totale de l’ion de celle de son noyau : l’ionisation change le nombre d’électrons.

Question 11

Dimension de l’atome et du noyau

Pour un ordre de grandeur, on prend 10⁻¹⁰ m pour la taille d’un atome et 10⁻¹⁵ m pour celle de son noyau. Quelles comparaisons conviennent ?

Le modèle de ces tailles parle de dimensions, pas directement de masses. Le rapport des tailles est 10⁻²⁵. Le noyau occupe presque toute la taille de l’atome. La taille de l’atome est environ 10⁵ fois celle du noyau. 10⁻¹⁰ m vaut 0,10 nm.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Oui. La forte différence de taille n’empêche pas la masse d’être principalement concentrée dans le noyau.
B — Faux. Non. Pour diviser des puissances de dix, on soustrait les exposants : −10 − (−15) = 5. En revanche, le quotient 10⁻¹⁰/10⁻¹⁵ donne 10⁵.
C — Faux. Non. Sa dimension caractéristique est environ cent mille fois plus petite ; l’atome est essentiellement constitué d’espace à cette échelle.
D — Vrai. Oui. 10⁻¹⁰ m / 10⁻¹⁵ m = 10⁵, soit 100 000 en ordre de grandeur.
E — Vrai. Oui. 1 nm = 10⁻⁹ m ; ainsi 0,10 nm = 10⁻¹⁰ m.

Méthode à retenir. Former le quotient de deux longueurs exprimées en mètres ; soustraire les exposants pour obtenir l’ordre de grandeur du rapport.

Question 12

Où se trouve la masse ?

On prend une masse d’environ 1,67 × 10⁻²⁷ kg pour un nucléon et 9,11 × 10⁻³¹ kg pour un électron. Que peut-on dire pour un atome ordinaire ?

Un nucléon est environ 1800 fois plus massif qu’un électron. La plus grande part de la masse de l’atome est portée par le noyau. Un électron a une masse de l’ordre de 10⁻²⁷ kg. La masse du cortège électronique est forcément égale à celle du noyau. Ces deux masses doivent être comparées dans la même unité.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Oui. (1,67 × 10⁻²⁷)/(9,11 × 10⁻³¹) ≈ 1,83 × 10³, soit environ 1800.
B — Vrai. Oui. Les nucléons, situés dans le noyau, sont chacun bien plus massifs que les électrons. Comparer les masses données par particule explique cette répartition, malgré le grand volume atomique.
C — Faux. Non. La donnée indique 9,11 × 10⁻³¹ kg : l’ordre de grandeur est proche de 10⁻³⁰ kg.
D — Faux. Non. Les masses par particule diffèrent d’un facteur d’environ 1800 ; dans un atome ordinaire, les nucléons dominent la masse totale.
E — Vrai. Oui. Elles sont toutes deux en kg ; leur quotient est donc sans dimension.

Méthode à retenir. Comparer les masses par un quotient dans une unité commune, puis interpréter la localisation des nucléons.

Question 13

Charges des constituants

On note e = 1,60 × 10⁻¹⁹ C la valeur positive de la charge élémentaire. On considère un proton, un électron et un neutron. Quelles propositions sont justes ?

Le noyau d’un atome de numéro atomique Z porte −Ze. Le proton porte la charge +e. L’unité de charge électrique de e est le kilogramme. Le neutron est électriquement neutre. L’électron porte la charge −e.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. Il contient Z protons de charge positive : sa charge est +Ze, les neutrons ne contribuant pas à la charge.
B — Vrai. Oui. Sa charge vaut +1,60 × 10⁻¹⁹ C avec la convention e > 0.
C — Faux. Non. e est une charge électrique mesurée en coulombs (C). Le kilogramme mesure une masse.
D — Vrai. Oui. Le neutron a une charge électrique nulle, bien qu’il ait une masse voisine de celle du proton.
E — Vrai. Oui. Sa charge vaut −1,60 × 10⁻¹⁹ C et compense celle d’un proton. Le signe moins traduit une charge opposée à celle du proton de même valeur absolue.

Méthode à retenir. Fixer e comme valeur positive : proton +e, électron −e, neutron 0 ; pour un noyau, additionner les charges de ses Z protons.

Question 14

Retrouver une écriture nucléaire

Un noyau inconnu comporte 15 protons et 16 neutrons. L’élément de numéro atomique 15 est le phosphore P. Quelles écritures et conclusions sont correctes ?

On le note ¹⁶₁₅P. Son numéro atomique vaut 16 car il comporte 16 neutrons. Le nombre de masse vaut A = 31. On le note ³¹₁₅P. L’atome neutre correspondant contient 15 électrons.

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Réponse attendue : C, D, E

A — Faux. Non. 16 est le nombre de neutrons et non le nombre total de nucléons ; l’exposant doit être A = 31.
B — Faux. Non. Z est le nombre de protons, ici 15 ; les neutrons n’identifient pas l’élément.
C — Vrai. Oui. A = nombre de protons + nombre de neutrons = 15 + 16 = 31. L’addition doit porter sur les deux types de nucléons, pas seulement sur les protons.
D — Vrai. Oui. Z = 15 s’écrit en bas, A = 31 en haut, à gauche du symbole de l’élément.
E — Vrai. Oui. Il faut autant d’électrons négatifs que de protons positifs pour que la charge de l’atome soit nulle.

Méthode à retenir. Quand la composition est donnée en mots, calculer A = Z + N avant d’écrire la notation et de compter les électrons éventuels.

Question 15

Masse approximative d’un atome

Pour un modèle simple, le noyau d’un atome de carbone 12 comporte 12 nucléons de masse voisine de 1,67 × 10⁻²⁷ kg chacun ; on néglige la masse des électrons. Quelles estimations sont correctes ?

Le résultat doit être donné avec l’unité kg. Négliger les électrons est cohérent avec l’ordre de grandeur recherché. La masse calculée est celle d’un unique électron. La masse approchée de l’atome vaut 2,0 × 10⁻²⁶ kg. La masse approchée est 12 kg.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Oui. A = 12 est sans dimension et mₙ est en kg ; le produit est une masse en kg.
B — Vrai. Oui. Un électron est beaucoup plus léger qu’un nucléon ; pour cette estimation, l’approximation est indiquée dans l’énoncé. La contribution des douze nucléons suffit donc à fixer les deux premiers chiffres de l’estimation.
C — Faux. Non. Le produit 12 mₙ estime la masse des nucléons du noyau, puis celle de l’atome à cette précision.
D — Vrai. Oui. m ≈ A mₙ = 12 × 1,67 × 10⁻²⁷ kg = 2,004 × 10⁻²⁶ kg, soit 2,0 × 10⁻²⁶ kg à deux chiffres significatifs.
E — Faux. Non. 12 est le nombre de nucléons, sans unité. Il faut multiplier par la masse d’un nucléon, de l’ordre de 10⁻²⁷ kg.

Méthode à retenir. Estimer m_atome ≈ A m_nucléon dans ce modèle ; garder le facteur 10⁻²⁷ kg et arrondir en cohérence avec les données.

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