Exercices: Organisation et transformations de la matière

Un atome de carbone

Le carbone est l'élément chimique présent dans le charbon et dans le diamant. L'atome de carbone étudié ici est noté $^{12}_{6}\text{C}$.

On donne : le symbole $^{A}_{Z}\text{X}$ d'un atome indique son nombre de nucléons $A$ et son numéro atomique $Z$ (nombre de protons).

1. Donner le nombre de protons du noyau de cet atome.

2. Calculer le nombre de neutrons du noyau.

3. Justifier que l'atome de carbone contient 6 électrons.

4. Nommer la partie de l'atome où se trouvent les électrons.

Le pH de produits de la vie courante

Lors d'une séance de travaux pratiques, Inès mesure le pH de cinq liquides avec un pH-mètre.

Liquide	jus de citron	vinaigre blanc	eau du robinet	savon liquide	eau de Javel
pH	2,3	2,9	7,0	9,8	12,5

1. Classer chaque liquide comme acide, neutre ou basique. Justifier.

2. Nommer l'ion responsable du caractère acide d'une solution.

3. Nommer l'ion responsable du caractère basique d'une solution.

4. L'eau de Javel porte le pictogramme « corrosif ». Citer une précaution à prendre pour la manipuler.

Un tuyau rouillé

Léa remplace un vieux tuyau métallique de sa maison. L'eau qui a stagné dedans est orangée. Elle réalise deux tests sur cette eau et consulte la banque de tests ci-dessous.

Réactif ajouté	Ion testé	Observation
solution d'hydroxyde de sodium (soude)	ion cuivre II $\text{Cu}^{2+}$	précipité bleu
solution d'hydroxyde de sodium (soude)	ion fer II $\text{Fe}^{2+}$	précipité vert
solution d'hydroxyde de sodium (soude)	ion fer III $\text{Fe}^{3+}$	précipité orange (rouille)
solution d'hydroxyde de sodium (soude)	ion zinc $\text{Zn}^{2+}$	précipité blanc
solution de nitrate d'argent	ion chlorure $\text{Cl}^{-}$	précipité blanc qui noircit à la lumière

Résultats de Léa : avec la soude, un précipité orange se forme. Avec le nitrate d'argent, aucun précipité ne se forme.

1. Identifier l'ion métallique présent dans l'eau. Justifier.

2. Indiquer si l'eau contient des ions chlorure. Justifier.

3. Écrire la formule de l'ion cuivre II et préciser la charge de cet ion.

De l'atome à l'ion sodium

Le sel de cuisine contient des ions sodium. L'atome de sodium est noté $^{23}_{11}\text{Na}$. Il peut perdre un électron et devenir l'ion sodium $\text{Na}^{+}$.

On donne : diamètre d'un atome $\approx 1\times 10^{-10}\ \text{m}$ ; diamètre d'un noyau $\approx 1\times 10^{-15}\ \text{m}$.

1. Donner la composition de l'atome de sodium : nombre de protons, de neutrons et d'électrons.

2. Donner la composition de l'ion $\text{Na}^{+}$. Indiquer ce qui change et ce qui ne change pas par rapport à l'atome.

3. Justifier que l'ion $\text{Na}^{+}$ porte une charge positive.

4. Calculer le rapport entre le diamètre de l'atome et celui de son noyau. Exprimer le résultat sous forme d'une puissance de dix.

5. En déduire une phrase qui décrit la structure de l'atome.

Neutraliser une solution acide

Un technicien de laboratoire dispose de 100 mL d'une solution acide. Il y ajoute progressivement une solution d'hydroxyde de sodium (soude) et relève le pH après chaque ajout.

Volume de soude ajouté (mL)	0	5	10	15	20	25
pH du mélange	2	3	5	7	10	12

On donne l'équation de la réaction acide-base qui a lieu : $\text{H}^{+} + \text{OH}^{-} \rightarrow \text{H}_2\text{O}$

1. Décrire l'évolution du pH quand on ajoute la soude.

2. Indiquer le volume de soude pour lequel le mélange est neutre. Justifier.

3. Nommer l'ion apporté par la soude qui réagit avec les ions $\text{H}^{+}$.

4. Montrer que l'équation fournie respecte la conservation des atomes et de la charge électrique.

5. Expliquer pourquoi le pH augmente quand on ajoute de la soude.

La combustion du butane

Un chauffe-eau fonctionne avec du butane, de formule $\text{C}_4\text{H}_{10}$. Dans le chauffe-eau, le butane réagit avec le dioxygène de l'air. Cette combustion produit du dioxyde de carbone $\text{CO}_2$ et de l'eau $\text{H}_2\text{O}$.

1. Citer les réactifs et les produits de cette transformation chimique.

2. Recopier et ajuster l'équation de réaction :

$\ldots\ \text{C}_4\text{H}_{10} + \ldots\ \text{O}_2 \rightarrow \ldots\ \text{CO}_2 + \ldots\ \text{H}_2\text{O}$

1. Indiquer comment mettre en évidence la formation de dioxyde de carbone.

2. Expliquer pourquoi cette combustion contribue à l'effet de serre.

3. Expliquer pourquoi on doit aérer la pièce où fonctionne un appareil à combustion.

Une solution acide attaque le fer

Dans un tube à essais, Karim verse de l'acide chlorhydrique, solution acide contenant des ions $\text{H}^{+}$ et des ions $\text{Cl}^{-}$. Il y plonge de la paille de fer. Un gaz se dégage. Il approche une flamme de l'ouverture du tube : une petite détonation se produit. Après la réaction, il filtre la solution et y ajoute de la soude : il observe un précipité vert.

On donne :

• l'équation de la réaction : $\text{Fe} + 2\ \text{H}^{+} \rightarrow \text{Fe}^{2+} + \text{H}_2$ ;

• un test : le dihydrogène produit une détonation à l'approche d'une flamme ;

• la banque de tests : la soude donne un précipité vert avec $\text{Fe}^{2+}$ et un précipité orange avec $\text{Fe}^{3+}$.

• Identifier le gaz qui se dégage. Justifier.

• Identifier l'ion métallique formé. Justifier.

• Montrer que l'équation fournie respecte la conservation des atomes et de la charge électrique.

• Au cours de la transformation, le pH de la solution augmente. Expliquer pourquoi.

• Un fabricant propose un récipient en fer pour conserver du jus de citron. Proposer une réponse argumentée sur l'intérêt de ce choix.

De l'expérience de Rutherford au modèle de l'atome

Au début du XXe siècle, une équipe dirigée par Ernest Rutherford bombarde une très fine feuille d'or avec des particules $\alpha$ (chargées positivement). Un détecteur entoure la feuille. Les résultats sont les suivants.

Sur 10 000 particules envoyées	Nombre
traversent la feuille sans être déviées	9 999
sont fortement déviées ou rebroussent chemin	1

Deux modèles sont alors en concurrence :

• modèle de Thomson (« plum-pudding ») : l'atome est une sphère pleine de charge positive dans laquelle sont répartis des électrons négatifs ;

• modèle de Rutherford : toute la charge positive et presque toute la masse sont concentrées dans un noyau minuscule, les électrons se trouvant autour.

On donne : diamètre d'un atome $\approx 1\times 10^{-10}\ \text{m}$ ; diamètre d'un noyau $\approx 1\times 10^{-15}\ \text{m}$.

1. Expliquer pourquoi la quasi-totalité des particules $\alpha$ traverse la feuille sans être déviée.

2. Expliquer ce que révèle le fait qu'une particule sur 10 000 rebrousse chemin. Dire quel modèle cette observation permet de privilégier.

3. On représente le noyau par une bille de diamètre 1 cm. Calculer le diamètre, en mètres puis en kilomètres, de l'atome correspondant à cette échelle.

4. Rédiger un court paragraphe expliquant pourquoi on dit que la matière est essentiellement constituée de vide.

5. Expliquer pourquoi un modèle scientifique peut être remplacé par un autre.

Combien d'atomes dans un fil de cuivre ?

Un fil de cuivre a une masse de 1,0 g. L'atome de cuivre est noté $^{63}_{29}\text{Cu}$. Lorsqu'on le plonge dans une solution adaptée, il peut perdre deux électrons et devenir l'ion $\text{Cu}^{2+}$.

On donne :

• masse d'un proton ou d'un neutron : $1{,}67\times 10^{-27}\ \text{kg}$ ;

• masse d'un électron : $9{,}11\times 10^{-31}\ \text{kg}$.

• Donner la composition de l'atome de cuivre et celle de l'ion $\text{Cu}^{2+}$.

• Calculer le rapport entre la masse d'un proton et celle d'un électron. Arrondir à un nombre entier de milliers.

• En déduire que la masse d'un atome est pratiquement égale à celle de son noyau, et que la masse de l'ion $\text{Cu}^{2+}$ est pratiquement égale à celle de l'atome de cuivre.

• Calculer la masse approchée d'un atome de cuivre. Exprimer le résultat en notation scientifique.

• Estimer le nombre d'atomes contenus dans le fil. Exprimer le résultat en notation scientifique avec deux chiffres significatifs.