Exercices: Le modèle atomique et moléculaire

Compléter la phrase avec les mots manquants : « Selon le modèle atomique et moléculaire, toute la matière est formée de $\dots$. Ceux-ci s'assemblent pour former des $\dots$ et, lors d'une réaction chimique, ils ne disparaissent pas : ils se $\dots$ seulement pour donner de nouvelles espèces chimiques ».

La formule de l'eau est $H_2O$. La figure montre son modèle moléculaire (boules).

1. a) Combien d'atomes d'hydrogène une molécule d'eau possède-t-elle ?
2. b) Combien d'atomes d'oxygène ?
3. c) Combien d'atomes y a-t-il au total dans la molécule ?

La formule du dioxyde de carbone est $CO_2$. Indiquer quels éléments forment sa molécule et combien d'atomes de chaque élément elle contient.

Associer chaque symbole chimique à son élément : $H$, $O$, $C$ et $N$, avec les noms hydrogène, carbone, azote et oxygène.

Observer la figure :

Expliquer la différence entre écrire $O_2$ et écrire $2\ O$ : combien d'atomes d'oxygène y a-t-il dans chaque cas et comment sont-ils (liés ou séparés) ?

On veut construire un modèle de la molécule d'eau avec des boules de pâte à modeler : on utilise des boules rouges pour les atomes d'oxygène et des boules blanches pour ceux d'hydrogène.

1. a) Combien de boules de chaque couleur faut-il pour une molécule d'eau ?
2. b) Décrire comment les boules seraient reliées.

Lors de la formation de l'eau, deux molécules de dihydrogène ($2\ H_2$) réagissent avec une molécule de dioxygène ($O_2$) et il se forme deux molécules d'eau ($2\ H_2O$), comme le montre le schéma des particules.

Compter les atomes d'hydrogène et d'oxygène avant et après la réaction. Un atome a-t-il disparu ?

Quand la glace fond, les molécules restent des molécules $H_2O$ ; quand l'eau est décomposée par un courant électrique, il apparaît $H_2$ et $O_2$. La figure montre les particules dans les deux processus.

Expliquer avec le modèle atomique et moléculaire lequel des deux changements est une transformation chimique et pourquoi.

Compter avec soin :

1. a) Combien d'atomes d'hydrogène et d'oxygène y a-t-il dans $3\ H_2O$ ?
2. b) Combien d'atomes de carbone et d'oxygène y a-t-il dans $5\ CO_2$ ?

La formule de l'ammoniac est $NH_3$.

1. a) Combien d'atomes y a-t-il dans une molécule d'ammoniac ?
2. b) Combien d'atomes de chaque élément y a-t-il dans $2\ NH_3$ ?

La combustion du méthane s'écrit : $CH_4 + 2\ O_2 \rightarrow CO_2 + 2\ H_2O$. Le schéma représente les molécules avant et après.

Compter les atomes de chaque élément avant et après la réaction et vérifier qu'ils se conservent.

Dans un modèle moléculaire, les boules noires sont des atomes de carbone, les blanches des atomes d'hydrogène et les rouges des atomes d'oxygène. Une boule noire liée à quatre blanches représente le méthane, $CH_4$.

1. a) Quelle molécule représente une boule noire liée à deux rouges ?
2. b) Décrire avec des boules de ce modèle la molécule d'eau.

Dans l'air, les molécules de $N_2$ et de $O_2$ sont séparées et mélangées ; dans l'eau, les atomes d'hydrogène et d'oxygène sont liés pour former des molécules $H_2O$, comme le montre la figure.

Expliquer avec le modèle atomique et moléculaire la différence entre un mélange et un corps pur composé.

Expliquer, à l'aide du modèle atomique et moléculaire, pourquoi la masse se conserve lors d'une réaction chimique (loi de Lavoisier) : que arrive-t-il aux atomes pendant la réaction et qu'advient-il de leur masse ?

L'eau est $H_2O$ et l'eau oxygénée est $H_2O_2$. La figure montre le modèle des deux molécules.

1. a) Contiennent-elles les mêmes éléments ?
2. b) Sont-elles la même espèce chimique ?
3. c) Relier la réponse à la loi des proportions définies.

Quand on fait bouillir de l'eau, les molécules $H_2O$ s'écartent les unes des autres, mais ne se brisent pas.

1. a) Pourquoi la vapeur reste-t-elle de l'eau ?
2. b) Que devrait-il arriver aux molécules pour que la vapeur cesse d'être de l'eau ?

La formation de l'eau se représente ainsi : $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$.

1. a) Combien y a-t-il de molécules avant et après la réaction ?
2. b) Combien y a-t-il d'atomes de chaque type avant et après ?
3. c) Utiliser le modèle atomique et moléculaire pour justifier la conservation de la masse.

Lorsqu'on brûle un ruban de magnésium dans l'air, l'oxyde qui se forme pèse plus que le ruban initial.

1. a) Expliquer ce gain de masse avec le modèle atomique et moléculaire.
2. b) Prévoir ce qui se passerait pour la masse totale si l'on pouvait aussi peser tout l'air qui a participé à la réaction.

Lorsqu'on fait passer un courant électrique dans l'eau, celle-ci se décompose : $2\ H_2O \rightarrow 2\ H_2 + O_2$. La figure montre le dispositif de l'expérience.

1. a) Compter les atomes de chaque élément avant et après.
2. b) Dans l'expérience, on recueille le double de volume de dihydrogène par rapport au dioxygène : relier ce fait au nombre de molécules de chaque gaz formées.
3. c) La masse se conserve-t-elle dans cette décomposition ? Justifier.

La synthèse industrielle de l'ammoniac s'écrit : $N_2 + 3\ H_2 \rightarrow 2\ NH_3$.

1. a) Concevoir un modèle avec des boules (choisir une couleur pour chaque élément) qui représente cette réaction, avant et après.
2. b) Vérifier, en comptant les atomes dans le modèle, que la conservation de la masse est respectée.
3. c) Combien de molécules d'ammoniac se forment-elles pour une molécule d'azote ?

Un élève écrit dans son cahier la combustion du méthane ainsi : $CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$.

1. a) Compter les atomes de chaque élément des deux côtés de la flèche.
2. b) Son schéma respecte-t-il la loi de conservation de la masse ?
3. c) Corriger l'écriture pour que les atomes s'équilibrent et expliquer ce qui a été modifié.

La formation de l'oxyde de fer peut s'écrire : $4\ Fe + 3\ O_2 \rightarrow 2\ Fe_2O_3$. Le schéma représente les atomes avant et après.

1. a) Compter les atomes de fer et d'oxygène avant et après.
2. b) Un vieux portail en fer très rouillé pèse plus que lorsqu'il était neuf : l'expliquer avec le modèle atomique et moléculaire.
3. c) D'où viennent les atomes qui font augmenter sa masse ?

Dans un récipient fermé, il y a $10$ molécules de $H_2$ et $10$ molécules de $O_2$, et la réaction $2\ H_2 + O_2 \rightarrow 2\ H_2O$ se produit. La figure montre le récipient avant la réaction.

1. a) Combien de molécules d'eau se forment-elles ?
2. b) Reste-t-il des molécules d'un gaz ? Combien et de quel gaz ?
3. c) Relier le résultat à la loi des proportions définies.

Le modèle atomique et moléculaire permet d'expliquer les deux lois des réactions chimiques étudiées.

1. a) Expliquer avec le modèle la loi de conservation de la masse : pourquoi la masse ne change-t-elle pas si les atomes ne disparaissent pas et que chaque type d'atome a toujours la même masse ?
2. b) Expliquer avec le modèle la loi des proportions définies : pourquoi un composé a-t-il toujours la même proportion en masse si sa formule est toujours la même ?

Défi du thème. La masse disparaît-elle quand un gaz se forme ? Vous allez vérifier dans votre cuisine les lois qui ont donné naissance à la chimie moderne, à l'aide de vinaigre, de bicarbonate et d'une balance de cuisine de précision (incertitude $\pm 0,1\text{ g}$).

1. Conservation de la masse (Lavoisier) : Peser une bouteille contenant $50\text{ mL}$ de vinaigre et un ballon fixé au goulot contenant $2\text{ g}$ de bicarbonate, sans les mélanger encore. Verser le solide dans le liquide à l'intérieur du système fermé et mesurer de nouveau. Répéter l'opération dans un verre ouvert.

2. Proportions définies (Proust) : Dans trois verres ouverts contenant chacun $50\text{ mL}$ de vinaigre, ajouter $2\text{ g}$, $4\text{ g}$ et $8\text{ g}$ de bicarbonate. Mesurer la masse initiale et la masse finale pour chaque essai, calculer la masse de gaz $\text{CO}_2$ perdue ($\Delta m = m_{\text{initial}} - m_{\text{final}}$) et construire un tableau et un graphique de $\Delta m$ en fonction de la masse de bicarbonate.

3. Modèle atomique et produit final : Rédiger un compte rendu bref dans lequel vous justifiez le graphique en identifiant le réactif limitant (Proust) et illustrez, à l'aide d'un schéma de sphères (Dalton), comment les liaisons entre atomes se réorganisent afin d'expliquer pourquoi les atomes se conservent.

Seront évalués :

• La rigueur dans le relevé expérimental réalisé à la maison, l'expression des incertitudes et le tracé du graphique.

• La justification cohérente des lois de Lavoisier et de Proust à partir de vos résultats.

• L'utilisation correcte du modèle atomique et moléculaire pour expliquer la conservation et le réarrangement des particules.