Aller au contenu
Skill NovaCours en ligne

De l'atome à la molécule

Décrire la structure de l'atome et la formation des molécules.

Chimie 4ème Chapitre 1 / 7 ⏱ 6 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Décrire la constitution d'un atome
  • Écrire la formule d'une molécule simple
  • Construire un modèle moléculaire

Regarde autour de toi : la bouteille d’eau posée sur ta table, l’air que tu respires, le crayon dans ta main, ton propre corps… Toute cette matière, aussi différente soit-elle, est construite à partir des mêmes briques microscopiques : les atomes. Un grain de sable, une goutte de pluie, une flamme de bougie — tout est fait d’atomes assemblés de façons différentes.

Jusqu’ici, tu as appris à distinguer les états de la matière et à reconnaître certaines transformations. Ce chapitre t’emmène plus loin, à l’échelle de l’infiniment petit : que trouve-t-on à l’intérieur d’un atome ? Comment des atomes s’associent-ils pour former une molécule comme l’eau, notée H2O\text{H}_2\text{O} ? Pourquoi certaines substances sont-elles des corps purs et d’autres des mélanges ?

Comprendre l’atome et la molécule, c’est se donner les clés de toute la chimie : cela explique pourquoi la glace fond sans rien changer à l’eau qu’elle contient, alors qu’une bûche qui brûle se transforme pour de bon en cendres et en fumée. On touche là du doigt la différence entre une transformation physique et une transformation chimique.

Dans ce chapitre, tu vas apprendre à décrire la constitution d’un atome, à lire et écrire la formule d’une molécule, et à construire toi-même des modèles moléculaires en boules — comme en utilisent les chimistes du monde entier.

1Constitution de l’atome : noyau et électrons

Un grain de sel, un clou en fer, une bulle d’air : si tu pouvais zoomer des millions de fois, tu finirais toujours par rencontrer la même chose, la plus petite particule de matière qui existe encore : l’atome.

Définition

L’atome est la plus petite partie de la matière. On le représente par une petite sphère formée de deux parties : un noyau, situé en son centre, et des électrons, qui occupent tout l’espace autour du noyau.

Le mot « atome » vient du grec atomos, qui signifie « qu’on ne peut pas couper ». Ce nom, choisi il y a plus de deux mille ans, s’est révélé un peu trompeur : les scientifiques ont fini par découvrir que l’atome est lui-même constitué de particules encore plus petites.

1.1  Les trois particules de l’atome

Le noyau et les électrons sont eux-mêmes construits à partir de trois sortes de particules : les protons et les neutrons, rassemblés dans le noyau, et les électrons, qui gravitent autour.

ParticuleOù se trouve-t-elle ?Charge électrique
Protondans le noyaupositive (+)
Neutrondans le noyauaucune (neutre)
Électronautour du noyaunégative (−)
Propriété

Le proton porte une charge électrique positive, l’électron porte une charge électrique négative, de même intensité mais de signe opposé. Le neutron, comme son nom l’indique, ne porte aucune charge : il est électriquement neutre.

Les protons et les neutrons sont environ deux mille fois plus lourds qu’un électron. Résultat : la quasi-totalité de la masse d’un atome est concentrée dans son minuscule noyau, alors que les électrons, très légers, occupent presque tout son volume.

1.2  Un atome presque vide

Voilà l’un des faits les plus surprenants de la chimie : un atome est en réalité presque entièrement vide. Le noyau, où se concentre presque toute la masse, est incroyablement petit par rapport à la sphère que dessinent les électrons autour de lui. On y reviendra précisément dans la section 6, avec de vrais ordres de grandeur.

Modèle simplifié d’un atome de carbone (Z = 6) noyau électron Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l’atome entier proton (charge +) neutron (pas de charge) électron (charge −)
Figure 1 — Modèle simplifié d’un atome : un noyau central, minuscule mais très lourd (ici 6 protons et 6 neutrons), entouré d’électrons (ici 6) qui occupent presque tout le volume de la sphère.
Exemple — décrire un atome de carbone

L’atome de carbone représenté à la Figure 1 est constitué d’un noyau contenant 6 protons et 6 neutrons, entouré de 6 électrons. Ce trio de nombres (6 protons, 6 neutrons, 6 électrons) caractérise exactement l’élément « carbone ».

Attention

Le schéma de la Figure 1, avec ses électrons qui tournent sur des cercles bien nets, est une image simplifiée pour se représenter facilement l’atome. En réalité, les électrons ne suivent pas des trajectoires aussi précises : ce modèle en couches suffit largement au collège pour comprendre et compter les particules.

Chimie & Co — De Démocrite à Dalton

Vers -400, dans la Grèce antique, le philosophe Démocrite imagine que toute matière est faite de grains minuscules et indivisibles, qu’il appelle atomos. Son idée reste une intuition philosophique, sans aucune expérience pour la vérifier — elle sera d’ailleurs oubliée pendant plus de deux mille ans.

Il faut attendre 1803 pour que le chimiste anglais John Dalton relance cette idée sur des bases scientifiques : en étudiant les proportions dans lesquelles les substances se combinent, il propose que chaque élément chimique corresponde à un type d’atome précis, avec sa propre masse. La chimie moderne était née.

2Symbole et numéro atomique

Écrire « un atome ayant 8 protons dans son noyau » à chaque fois serait épuisant. Les chimistes ont donc inventé un langage universel, compris dans le monde entier quelle que soit la langue parlée : les symboles chimiques.

Définition

Chaque élément chimique possède un symbole formé d’une lettre majuscule, parfois suivie d’une seconde lettre minuscule. Le numéro atomique, noté ZZ, est le nombre de protons contenus dans le noyau d’un atome de cet élément. Il caractérise entièrement l’élément chimique.

2.1  Écrire correctement un symbole chimique

La règle est stricte : la première lettre est toujours une majuscule, la seconde (si elle existe) est toujours une minuscule. Cette règle n’est pas un détail d’écriture : deux symboles peuvent utiliser les deux mêmes lettres, dans une casse différente, et désigner pourtant des choses totalement différentes.

Attention

Co\text{Co} est le symbole du cobalt, un élément chimique à part entière (Z=27Z = 27). CO\text{CO} — avec un grand O — n’est pas un symbole d’élément : c’est la formule d’une molécule, le monoxyde de carbone, formée d’un atome de carbone et d’un atome d’oxygène. Une majuscule mal placée change complètement le sens !

2.2  Le numéro atomique identifie l’élément

Deux atomes du même élément chimique ont toujours le même numéro atomique ZZ, donc le même nombre de protons. C’est justement ce nombre de protons qui définit l’identité de l’élément : changer le nombre de protons, c’est changer d’élément.

ÉlémentSymboleNuméro atomique ZZ
HydrogèneH\text{H}1
CarboneC\text{C}6
AzoteN\text{N}7
OxygèneO\text{O}8
SodiumNa\text{Na}11
AluminiumAl\text{Al}13
SoufreS\text{S}16
ChloreCl\text{Cl}17
FerFe\text{Fe}26
CuivreCu\text{Cu}29
Exemple — utiliser le tableau
  1. l’élément de symbole Fe\text{Fe} est le fer, Z=26Z = 26lecture directe du tableau
  2. l’élément de numéro atomique Z=8Z = 8 est l’oxygène, symbole O\text{O}
Méthode — ne pas confondre nom, symbole et numéro atomique

Le nom (« oxygène ») change selon la langue ; le symbole (O\text{O}) et le numéro atomique (Z=8Z = 8) sont universels, identiques dans le monde entier. C’est pour cela que la formule H2O\text{H}_2\text{O} se comprend aussi bien à Dakar qu’à Tokyo.

Chimie & Co — Des symboles pour parler la même langue

Avant le XIXe siècle, chaque alchimiste ou presque utilisait ses propres dessins pour désigner les substances. En 1813, le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius propose un système bien plus pratique : représenter chaque élément par une ou deux lettres tirées de son nom latin. C’est exactement le système que tu utilises aujourd’hui.

Plus tard, en 1869, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev range tous les éléments connus dans un grand tableau, classés par numéro atomique croissant : le tableau périodique des éléments, que tu retrouveras au lycée, et qui compte aujourd’hui 118 éléments.

3Neutralité électrique

Tu touches un clou en fer tous les jours sans jamais recevoir de décharge électrique, alors que ce clou est pourtant rempli de protons chargés positivement et d’électrons chargés négativement. Comment est-ce possible ? La réponse tient en une seule idée : dans un atome, les charges se compensent exactement.

Propriété

Un atome est toujours électriquement neutre : il possède exactement autant d’électrons que de protons. Les charges positives des protons et les charges négatives des électrons se compensent exactement, et l’atome, vu de l’extérieur, ne porte aucune charge globale.

3.1  Retrouver le nombre d’électrons à partir de ZZ

Puisque le numéro atomique ZZ donne le nombre de protons, et que ce nombre de protons est toujours égal au nombre d’électrons dans un atome neutre, connaître ZZ suffit à connaître les deux nombres à la fois.

Méthode — trouver la composition complète d’un atome neutre

Nombre de protons = ZZ  ;  nombre d’électrons = ZZ (atome neutre)  ;  nombre de neutrons = à lire dans l’énoncé ou dans un document, car il ne se déduit pas de ZZ seul.

Exemple — composition d’un atome de sodium

Le sodium a pour symbole Na\text{Na} et pour numéro atomique Z=11Z = 11.

  1. nombre de protons =Z=11= Z = 11
  2. l’atome est neutre
  3. ⇒\Rightarrownombre d’électrons =11= 11 aussiautant d’électrons que de protons

3.2  Le rôle des neutrons

Les neutrons, eux, ne portent aucune charge : ils n’interviennent donc pas dans la neutralité de l’atome. Leur rôle est différent : ils ajoutent de la masse au noyau sans en changer la charge, et contribuent à sa cohésion.

Pour info : deux atomes du même élément (même ZZ, donc même nombre de protons) peuvent parfois avoir un nombre de neutrons différent. On les appelle des isotopes l’un de l’autre : ils se comportent chimiquement de la même façon, mais n’ont pas exactement la même masse. Tu approfondiras cette notion au lycée.
Attention

Pour savoir si un atome est neutre, seuls comptent les protons et les électrons. Le nombre de neutrons ne change rien à la charge de l’atome : un atome reste neutre quel que soit son nombre de neutrons, tant que son nombre d’électrons égale son nombre de protons.

4Molécules et formules

Dans la nature, les atomes sont rarement isolés : ils s’assemblent, comme des briques de Lego, pour former des molécules. L’eau que tu bois, l’air que tu respires, le sucre que tu manges sont tous constitués de molécules.

Définition

Une molécule est un assemblage d’au moins deux atomes liés entre eux. On la représente par une formule chimique : les lettres indiquent quels éléments sont présents (leur symbole), et les indices placés en bas à droite indiquent le nombre d’atomes de chaque élément dans la molécule. Quand il n’y a qu’un seul atome d’un élément, on n’écrit pas d’indice (l’indice « 1 » est sous-entendu).

4.1  Lire une formule chimique

Méthode — compter les atomes d’une molécule

On repère chaque symbole d’élément dans la formule : le nombre écrit juste après, en indice, donne le nombre d’atomes de cet élément. On additionne ensuite tous les atomes pour connaître la taille totale de la molécule.

NomFormuleAtomes contenus
DihydrogèneH2\text{H}_22 atomes d’hydrogène
DioxygèneO2\text{O}_22 atomes d’oxygène
DiazoteN2\text{N}_22 atomes d’azote
EauH2O\text{H}_2\text{O}2 atomes d’hydrogène, 1 atome d’oxygène
Dioxyde de carboneCO2\text{CO}_21 atome de carbone, 2 atomes d’oxygène
MéthaneCH4\text{CH}_41 atome de carbone, 4 atomes d’hydrogène
Exemple — compter les atomes dans 2 H2O2\ \text{H}_2\text{O}

Le nombre placé devant la formule (le coefficient) indique le nombre de molécules ; les indices, eux, décrivent une seule molécule.

  1. 2 H2O2\ \text{H}_2\text{O} désigne 2 molécules d’eau
  2. chaque molécule contient 2 atomes de H\text{H} et 1 atome de O\text{O}
  3. ⇒\Rightarrowau total : 2×2=42 \times 2 = 4 atomes de H\text{H} et 2×1=22 \times 1 = 2 atomes de O\text{O}
Attention

Ne confonds jamais le coefficient (devant la formule, nombre de molécules) et l’indice (dans la formule, nombre d’atomes par molécule) : changer un indice change la molécule elle-même ! H2O\text{H}_2\text{O} (l’eau) et H2O2\text{H}_2\text{O}_2 (l’eau oxygénée, un tout autre produit, désinfectant) ne diffèrent que par un seul indice, mais ce sont deux substances totalement différentes.

4.2  Corps purs simples et corps purs composés

Un corps pur peut être formé d’un seul élément chimique, ou de plusieurs. On distingue donc deux familles de corps purs.

Définition

Un corps pur simple ne contient qu’un seul type d’élément chimique (par exemple O2\text{O}_2, N2\text{N}_2, H2\text{H}_2, ou un métal comme le fer Fe\text{Fe}). Un corps pur composé contient au moins deux éléments chimiques différents, combinés toujours dans les mêmes proportions (par exemple H2O\text{H}_2\text{O}, CO2\text{CO}_2, CH4\text{CH}_4).

Exemple — classer des corps purs

H2\text{H}_2 ne contient que l’élément hydrogène : corps pur simple. CH4\text{CH}_4 contient du carbone et de l’hydrogène : corps pur composé.

4.3  Corps pur ou mélange ?

Définition

Un corps pur ne contient qu’une seule sorte de molécule (ou d’atome). Un mélange contient au moins deux sortes de molécules différentes réunies ensemble — comme l’air, qui mélange principalement du diazote N2\text{N}_2 et du dioxygène O2\text{O}_2.

Corps pur — dioxygène O₂ Mélange — l’air (N₂ et O₂) 9 molécules, toutes identiques molécules différentes mélangées
Figure 2 — À gauche, un corps pur : uniquement des molécules de dioxygène O2\text{O}_2. À droite, un mélange (l’air) : des molécules de diazote N2\text{N}_2 (violet) et de dioxygène O2\text{O}_2 (rouge) se côtoient sans se transformer les unes en les autres.
Exemple — reconnaître un corps pur ou un mélange

De l’eau distillée ne contient que des molécules H2O\text{H}_2\text{O} : c’est un corps pur. De l’eau sucrée contient des molécules d’eau et des molécules de sucre : c’est un mélange. L’air contient essentiellement N2\text{N}_2 et O2\text{O}_2 : c’est aussi un mélange.

Chimie & Co — L’eau n’est pas un élément

Pendant des siècles, on pensait que l’eau était l’un des quatre « éléments » fondamentaux du monde, avec la terre, l’air et le feu. En 1783, le chimiste français Antoine Lavoisier, en collaboration avec des expériences menées par l’Anglais Henry Cavendish, montre qu’en faisant réagir du dihydrogène et du dioxygène, on obtient de l’eau : elle n’est donc pas un élément, mais un corps pur composé, H2O\text{H}_2\text{O}.

Lavoisier est aussi l’auteur, en 1789, d’un principe fondateur de la chimie moderne : lors d’une transformation chimique, la masse totale se conserve — « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme ». Tu retrouveras cette idée à la section 6.

5Modèles moléculaires

Une formule chimique comme H2O\text{H}_2\text{O} te dit quels atomes sont présents et combien, mais elle ne dit rien de la façon dont ils sont disposés dans l’espace. Pour se représenter cette disposition, les chimistes construisent des modèles moléculaires, de vraies petites maquettes en boules et bâtonnets.

Définition

Un modèle moléculaire est une représentation en trois dimensions d’une molécule : chaque atome est figuré par une boule colorée (une couleur par élément chimique), et chaque liaison entre deux atomes est figurée par un bâtonnet qui relie deux boules.

5.1  Couleurs conventionnelles des atomes

Pour que tous les chimistes du monde se comprennent d’un coup d’œil, une même couleur est toujours utilisée pour un même élément.

ÉlémentSymboleCouleur conventionnelle
HydrogèneH\text{H}blanc (ou gris très clair)
CarboneC\text{C}noir (ou gris foncé)
OxygèneO\text{O}rouge
AzoteN\text{N}bleu
ChloreCl\text{Cl}vert
Méthode — construire un modèle moléculaire à partir d’une formule

On lit la formule pour savoir combien de boules de chaque couleur prendre (un indice = un atome = une boule). On relie ensuite les boules par des bâtonnets, en plaçant l’atome le moins nombreux — souvent celui qui a le plus de liaisons à faire — au centre de l’assemblage.

Modèles moléculaires en boules (couleurs conventionnelles) eauH₂O · coudée dioxyde de carboneCO₂ · linéaire méthaneCH₄ hydrogène carbone oxygène
Figure 3 — Modèles moléculaires de l’eau (molécule coudée), du dioxyde de carbone (molécule linéaire) et du méthane. La formule seule ne montre pas ces formes : il faut le modèle en boules pour les voir.
Exemple — modèle du dihydrogène H2\text{H}_2

La formule H2\text{H}_2 contient deux atomes d’hydrogène et rien d’autre. Son modèle moléculaire est donc simplement deux boules blanches identiques reliées par un seul bâtonnet — la molécule diatomique la plus simple qui existe.

Attention

Le modèle en boules montre une information que la formule seule ne donne pas : la forme de la molécule. H2O\text{H}_2\text{O} s’écrit « à plat » sur le papier, mais la molécule réelle est coudée (en forme de V), jamais alignée comme CO2\text{CO}_2, qui est linéaire.

6Ordres de grandeur

Pour finir ce chapitre, donnons des vrais nombres à toutes ces images : quelle est la taille réelle d’un atome et de son noyau ? Et comment ces molécules se comportent-elles selon qu’elles forment un solide, un liquide ou un gaz ?

6.1  La taille des atomes et des noyaux

Propriété

Le diamètre d’un atome vaut environ 1×10−10 m1 \times 10^{-10}\ \text{m} (un dixième de milliardième de mètre). Le diamètre de son noyau, lui, ne vaut qu’environ 1×10−15 m1 \times 10^{-15}\ \text{m} — cent mille fois plus petit.

  1. diameˋtre de l’atomediameˋtre du noyau=10−1010−15\dfrac{\text{diamètre de l’atome}}{\text{diamètre du noyau}} = \dfrac{10^{-10}}{10^{-15}}
  2. ==10−10−(−15)10^{-10-(-15)}
  3. ==10510^{5}
  4. ==100 000100\,000le noyau est cent mille fois plus petit que l’atome
Si l’atome était un stade de football… noyau : une petite bille atome ≈ 300 m de diamètre rayon de l’atome ≈ 1 × 10⁻¹⁰ m rayon du noyau ≈ 1 × 10⁻¹⁵ m rapport ≈ 100 000
Figure 4 — Si l’on agrandissait un atome à la taille d’un stade de football (≈ 300 m de diamètre), son noyau ne serait qu’une petite bille de quelques millimètres en son centre.

6.2  Les trois états de la matière au niveau moléculaire

Les molécules d’une même substance ne changent pas quand elle passe d’un état à l’autre : ce qui change, c’est leur disposition et leur agitation.

ÉtatDisposition des moléculesAgitation
Solideserrées, rangées de façon ordonnéevibrent sur place, ne se déplacent pas
Liquideserrées, mais désordonnéesglissent lentement les unes sur les autres
Gaztrès éloignées les unes des autresse déplacent librement, vite, dans tous les sens
SolideLiquideGaz rangées, vibrent sur place serrées, désordonnées éloignées, agitation rapide
Figure 5 — Les trois états de la matière au niveau moléculaire : seules la disposition et l’agitation des molécules changent, jamais les molécules elles-mêmes.
Exemple — la fusion de la glace

Quand la glace fond, les molécules restent des molécules H2O\text{H}_2\text{O} du début à la fin : seule leur disposition change, d’un arrangement rangé (solide) à un arrangement désordonné (liquide). Aucune molécule n’est détruite ni créée : c’est une transformation physique.

6.3  Transformation physique ou transformation chimique ?

Définition

Une transformation physique ne modifie pas les molécules : elles changent seulement d’état, de forme ou se mélangent, mais restent identiques. Une transformation chimique détruit les molécules de départ et en forme de nouvelles, différentes : de nouvelles substances apparaissent.

Théorème — conservation des atomes

Lors d’une transformation chimique, les atomes présents au départ ne disparaissent jamais et aucun atome nouveau n’apparaît : ils se réorganisent seulement pour former de nouvelles molécules.

Démonstration — idée de preuve par comptage

Prenons la combustion du dihydrogène dans le dioxygène, qui produit de l’eau : 2 H2+O2→2 H2O2\ \text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\ \text{H}_2\text{O}.

  1. avant : 2 H22\ \text{H}_2 contient 44 atomes de H\text{H} ; O2\text{O}_2 contient 22 atomes de O\text{O}
  2. après : 2 H2O2\ \text{H}_2\text{O} contient 2×2=42 \times 2 = 4 atomes de H\text{H} et 2×1=22 \times 1 = 2 atomes de O\text{O}
  3. ⇒\Rightarrow44 atomes de H\text{H} et 22 atomes de O\text{O} avant, 44 atomes de H\text{H} et 22 atomes de O\text{O} aprèsrien ne se perd, rien ne se crée

Le nombre total d’atomes de chaque sorte est bien identique avant et après : seuls les assemblages ont changé. C.Q.F.D.

Exemple — classer des transformations

La fonte de la glace et la dissolution du sucre dans le thé sont des transformations physiques : les molécules d’eau ou de sucre restent intactes. La combustion du bois et la rouille qui attaque un clou en fer sont des transformations chimiques : de nouvelles substances (cendres, fumée, oxyde de fer) apparaissent.

Attention

Voir une substance « disparaître » ne veut pas dire qu’elle a subi une transformation chimique ! Le sucre qui se dissout dans l’eau semble disparaître à l’œil nu, mais ses molécules sont toujours là, dispersées : c’est un mélange, donc une transformation physique.

Fiche mémo

  • L’atome : un noyau (protons ++, neutrons neutres) entouré d’électrons (−-), presque tout le volume est vide.
  • Charges : proton positif, neutron neutre, électron négatif ; protons et neutrons ≈ 2000 fois plus lourds qu’un électron.
  • Symbole chimique : 1 majuscule, puis éventuellement 1 minuscule (Fe\text{Fe}, Cu\text{Cu}, Na\text{Na}…).
  • Numéro atomique ZZ = nombre de protons = identité de l’élément.
  • Neutralité : dans un atome, nombre d’électrons = nombre de protons = ZZ.
  • Molécule : assemblage d’atomes liés ; formule : symboles + indices (nombre d’atomes de chaque sorte).
  • Coefficient (devant, nombre de molécules) ≠ indice (dans la formule, nombre d’atomes).
  • Corps pur simple : un seul élément (O2\text{O}_2, Fe\text{Fe}). Corps pur composé : au moins deux éléments (H2O\text{H}_2\text{O}, CO2\text{CO}_2).
  • Corps pur : une seule sorte de molécule. Mélange : plusieurs sortes de molécules ensemble (l’air, l’eau sucrée).
  • Modèle moléculaire : boules colorées par élément (H blanc, C noir, O rouge, N bleu, Cl vert) reliées par des bâtonnets.
  • Diamètre atome ≈ 10−10 m10^{-10}\ \text{m} ; diamètre noyau ≈ 10−15 m10^{-15}\ \text{m} ; le noyau est 100 000100\,000 fois plus petit.
  • États de la matière : solide (rangé, vibre), liquide (serré, désordonné), gaz (éloigné, rapide) — mêmes molécules dans les trois cas.
  • Transformation physique : les molécules restent les mêmes. Transformation chimique : de nouvelles molécules apparaissent, mais les atomes se conservent.

7Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Pour chacune des trois particules — proton, neutron, électron — précise où elle se trouve dans l’atome et quelle est sa charge électrique.

Voir le corrigé détaillé

Le proton se trouve dans le noyau et porte une charge positive. Le neutron se trouve dans le noyau et ne porte aucune charge. L’électron se trouve autour du noyau et porte une charge négative.

2

Donne le symbole chimique du carbone, de l’azote, du sodium et du cuivre. Puis donne le nom de l’élément correspondant aux symboles Fe\text{Fe}, S\text{S} et Al\text{Al}.

Voir le corrigé détaillé

Carbone : C\text{C} ; azote : N\text{N} ; sodium : Na\text{Na} ; cuivre : Cu\text{Cu}.

Fe\text{Fe} : fer ; S\text{S} : soufre ; Al\text{Al} : aluminium.

3

Un atome a pour numéro atomique Z=17Z = 17. Combien possède-t-il de protons ? D’électrons ? Quel est son symbole chimique ?

Voir le corrigé détaillé
  1. nombre de protons =Z=17= Z = 17
  2. atome neutre ⇒\Rightarrow nombre d’électrons =17= 17

D’après le tableau de la section 2, l’élément de numéro atomique 17 est le chlore, de symbole Cl\text{Cl}.

4

Compte le nombre d’atomes de chaque élément dans les formules suivantes : H2O\text{H}_2\text{O} ; CO2\text{CO}_2 ; CH4\text{CH}_4 ; 3 O23\ \text{O}_2.

Voir le corrigé détaillé
  1. H2O\text{H}_2\text{O} : 2 atomes de H\text{H}, 1 atome de O\text{O}
  2. CO2\text{CO}_2 : 1 atome de C\text{C}, 2 atomes de O\text{O}
  3. CH4\text{CH}_4 : 1 atome de C\text{C}, 4 atomes de H\text{H}
  4. 3 O23\ \text{O}_2 : 3 molécules, donc 3×2=63 \times 2 = 6 atomes de O\text{O} au total
5

Classe chacun de ces corps purs en « corps pur simple » ou « corps pur composé » : O2\text{O}_2 ; H2O\text{H}_2\text{O} ; N2\text{N}_2 ; CO2\text{CO}_2 ; Fe\text{Fe} ; CH4\text{CH}_4 ; H2\text{H}_2.

Voir le corrigé détaillé

Corps purs simples (un seul élément) : O2\text{O}_2, N2\text{N}_2, Fe\text{Fe}, H2\text{H}_2.

Corps purs composés (au moins deux éléments) : H2O\text{H}_2\text{O} (H et O), CO2\text{CO}_2 (C et O), CH4\text{CH}_4 (C et H).

Niveau 2 — Approfondissement
6

Un atome de fer possède 26 protons et 30 neutrons. Donne sa composition complète (protons, neutrons, électrons) et son numéro atomique ZZ.

Voir le corrigé détaillé
  1. nombre de protons =26⇒Z=26= 26 \Rightarrow Z = 26
  2. nombre de neutrons =30= 30donné dans l’énoncé
  3. atome neutre ⇒\Rightarrow nombre d’électrons =26= 26

Cet atome possède 26 protons, 30 neutrons et 26 électrons ; son numéro atomique est Z=26Z = 26, celui du fer Fe\text{Fe}.

7

Associe chaque formule à son nom et à la forme de son modèle moléculaire : H2O\text{H}_2\text{O} ; CO2\text{CO}_2 ; CH4\text{CH}_4 ; O2\text{O}_2 ; H2\text{H}_2.

Voir le corrigé détaillé

H2O\text{H}_2\text{O} : eau, molécule coudée. CO2\text{CO}_2 : dioxyde de carbone, molécule linéaire. CH4\text{CH}_4 : méthane, un carbone central entouré de 4 hydrogènes. O2\text{O}_2 : dioxygène, deux boules rouges reliées. H2\text{H}_2 : dihydrogène, deux boules blanches reliées.

8

Pour chaque situation, précise s’il s’agit d’une transformation physique ou d’une transformation chimique, et justifie au niveau moléculaire : (a) la fonte du beurre dans la poêle ; (b) la combustion d’une bougie ; (c) l’évaporation de l’eau d’une flaque ; (d) la rouille qui attaque un vélo laissé sous la pluie.

Voir le corrigé détaillé

(a) Physique : les molécules de matière grasse ne changent pas, seul l’état passe de solide à liquide. (b) Chimique : la cire brûle et se transforme en dioxyde de carbone et en eau, de nouvelles molécules apparaissent. (c) Physique : les molécules H2O\text{H}_2\text{O} restent les mêmes, seul l’état passe de liquide à gaz. (d) Chimique : le fer réagit avec le dioxygène de l’air pour former un nouveau corps pur composé, l’oxyde de fer (la rouille).

9

Le noyau d’un atome mesure environ 1×10−15 m1 \times 10^{-15}\ \text{m} de diamètre, et l’atome entier environ 1×10−10 m1 \times 10^{-10}\ \text{m}. Si l’on représentait ce noyau par une bille de 22 cm de diamètre, quel serait le diamètre de l’atome à la même échelle ? Donne le résultat en mètres, puis en kilomètres arrondi à l’unité.

Voir le corrigé détaillé
  1. facteur d’agrandissement =10−1010−15=105=100 000= \dfrac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5} = 100\,000
  2. diamètre de l’atome à l’échelle =0,02×100 000= 0{,}02 \times 100\,000
  3. ==2 0002\,000 m
  4. ==22 km

À cette échelle, si le noyau était une bille de 2 cm, l’atome mesurerait environ 2 km de diamètre : c’est bien le vide presque total évoqué à la section 6.

Niveau 3 — Défi
10

L’atome de cuivre. Le cuivre a pour symbole Cu\text{Cu}, numéro atomique Z=29Z = 29, et un atome de cuivre courant possède 34 neutrons.

  1. Donne la composition complète de cet atome (protons, neutrons, électrons).
  2. Vérifie que cet atome est bien électriquement neutre.
  3. Un atome de zinc (Zn\text{Zn}, Z=30Z = 30) possède lui aussi 34 neutrons. Cet atome de zinc a-t-il la même identité chimique que l’atome de cuivre ? Justifie.
Voir le corrigé détaillé

1. Nombre de protons =Z=29= Z = 29 ; nombre de neutrons =34= 34 (donné) ; atome neutre donc nombre d’électrons =29= 29.

2. Vérification de la neutralité :

  1. nombre de charges positives =29= 29 protons
  2. nombre de charges négatives =29= 29 électrons
  3. ⇒\Rightarrowcharges positives et négatives en nombre égal, l’atome est neutre

3. Non : bien que les deux atomes aient le même nombre de neutrons (34), ce n’est pas ce qui définit l’élément. Le cuivre a Z=29Z = 29 protons, le zinc a Z=30Z = 30 protons : ce sont deux numéros atomiques différents, donc deux éléments chimiques différents. Seul le nombre de protons détermine l’identité de l’élément.

11

La combustion du méthane. Le méthane brûle dans le dioxygène selon la transformation : CH4+2 O2→CO2+2 H2O\text{CH}_4 + 2\ \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\ \text{H}_2\text{O}.

  1. Identifie les réactifs (produits de départ) et les produits (formés) de cette transformation.
  2. Compte le nombre d’atomes de chaque élément avant, puis après la transformation.
  3. Cette transformation est-elle physique ou chimique ? Justifie.
  4. Donne la formule du corps pur composé produit qui contient du carbone.
Voir le corrigé détaillé

1. Réactifs : méthane CH4\text{CH}_4 et dioxygène O2\text{O}_2. Produits : dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 et eau H2O\text{H}_2\text{O}.

2. Comptage des atomes :

  1. avant : CH4\text{CH}_4 apporte 1 C\text{C} et 4 H\text{H} ; 2 O22\ \text{O}_2 apporte 2×2=42 \times 2 = 4 O\text{O}
  2. total avant : 1 C\text{C}, 4 H\text{H}, 4 O\text{O}
  3. après : CO2\text{CO}_2 apporte 1 C\text{C} et 2 O\text{O} ; 2 H2O2\ \text{H}_2\text{O} apporte 2×2=42 \times 2 = 4 H\text{H} et 2×1=22 \times 1 = 2 O\text{O}
  4. total après : 1 C\text{C}, 4 H\text{H}, 2+2=42 + 2 = 4 O\text{O}
  5. ⇒\Rightarrowmêmes nombres d’atomes avant et aprèsconservation des atomes
Combustion du méthane : les atomes se conservent CH₄ + 2 O₂ CO₂ + 2 H₂O 1 C, 4 H, 4 O des deux côtés
Figure 6 — Avant et après la combustion du méthane : les molécules changent, mais le total des atomes (1 C, 4 H, 4 O) reste identique.

3. C’est une transformation chimique : les molécules de départ (CH4\text{CH}_4, O2\text{O}_2) sont détruites et de nouvelles molécules (CO2\text{CO}_2, H2O\text{H}_2\text{O}) apparaissent.

4. Le corps pur composé produit contenant du carbone est le dioxyde de carbone, CO2\text{CO}_2.

12

Corps pur ou mélange ? L’air est composé d’environ 4/5 de diazote N2\text{N}_2 et 1/5 de dioxygène O2\text{O}_2. Un hôpital utilise par ailleurs des bouteilles de dioxygène médical, contenant uniquement O2\text{O}_2.

  1. L’air est-il un corps pur ou un mélange ? Justifie.
  2. Le gaz d’une bouteille d’oxygène médical est-il un corps pur simple ou un corps pur composé ?
  3. Si l’on ouvre cette bouteille dans une pièce, le dioxygène se répand et se mélange à l’air ambiant. Obtient-on alors un nouveau corps pur ? Justifie.
Voir le corrigé détaillé

1. L’air contient deux sortes de molécules différentes (N2\text{N}_2 et O2\text{O}_2) : c’est un mélange.

2. Le gaz de la bouteille ne contient qu’un seul élément chimique, l’oxygène, sous forme O2\text{O}_2 : c’est un corps pur simple.

3. Non : en se répandant, les molécules O2\text{O}_2 se retrouvent simplement mélangées aux molécules N2\text{N}_2 et O2\text{O}_2 déjà présentes dans l’air. On obtient toujours un mélange (plusieurs sortes de molécules), jamais un corps pur, et aucune molécule nouvelle n’est créée : ce n’est qu’une transformation physique de mise en contact.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

L’oxygène de l’hôpital (Dakar). Un centre de santé de Dakar achète des bouteilles de dioxygène médical pour ses patients. Chaque bouteille coûte 15 000 F CFA et contient un gaz de formule O2\text{O}_2 pur à plus de 99 %.

  1. Ce gaz est-il un corps pur ou un mélange ? Un corps pur simple ou composé ?
  2. Le centre de santé commande 8 bouteilles pour le mois. Calcule le coût total.
Voir le corrigé détaillé

1. Une seule sorte de molécule (O2\text{O}_2) est présente : c’est un corps pur, et comme il ne contient qu’un seul élément (l’oxygène), c’est un corps pur simple.

2. Coût total :

  1. coût =8×15 000= 8 \times 15\,000
  2. ==120 000120\,000 F CFA

Le centre de santé dépensera 120 000 F CFA pour ses 8 bouteilles du mois.

14

Au marché (Bamako). Aminata tient un étal au grand marché de Bamako. Elle vend de l’eau minérale en bouteille (considérée comme un corps pur) à 300 F CFA la bouteille, et du jus de bissap (eau, sucre et extraits d’hibiscus) à 250 F CFA la bouteille.

  1. Le jus de bissap est-il un corps pur ou un mélange ? Justifie.
  2. Un client achète 6 bouteilles d’eau et 4 bouteilles de bissap. Calcule la dépense totale.
Voir le corrigé détaillé

1. Le bissap contient de l’eau, du sucre et des extraits végétaux : plusieurs sortes de molécules différentes sont réunies : c’est un mélange.

2. Dépense totale :

  1. eau : 6×300=1 8006 \times 300 = 1\,800 F CFA
  2. bissap : 4×250=1 0004 \times 250 = 1\,000 F CFA
  3. total =1 800+1 000= 1\,800 + 1\,000
  4. ==2 8002\,800 F CFA

Le client dépense en tout 2 800 F CFA.

15

Le gaz de cuisine (Ndjamena). Une famille de Ndjamena cuisine au gaz butane, corps pur composé de formule C4H10\text{C}_4\text{H}_{10}. Une bonbonne de 6 kg coûte 6 500 F CFA. Sa combustion produit du dioxyde de carbone et de l’eau, comme celle du méthane.

  1. Le butane est-il un corps pur simple ou composé ? Justifie avec sa formule.
  2. La combustion du butane est-elle une transformation physique ou chimique ? Justifie.
  3. La famille achète 2 bonbonnes par mois. Calcule la dépense annuelle (12 mois).
Voir le corrigé détaillé

1. La formule C4H10\text{C}_4\text{H}_{10} contient deux éléments différents, le carbone et l’hydrogène : c’est un corps pur composé.

2. C’est une transformation chimique : les molécules de butane sont détruites, et de nouvelles molécules (dioxyde de carbone, eau) apparaissent — exactement comme pour la combustion du méthane étudiée à la section 6.

3. Dépense annuelle :

  1. dépense mensuelle =2×6 500=13 000= 2 \times 6\,500 = 13\,000 F CFA
  2. dépense annuelle =13 000×12= 13\,000 \times 12
  3. ==156 000156\,000 F CFA

La famille dépense environ 156 000 F CFA par an en gaz de cuisine.

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Un atome est formé de deux parties. Lesquelles ?

Explication : L'atome est formé d'un noyau, situé en son centre, et d'électrons, qui occupent tout l'espace autour du noyau.

Parmi les trois particules de l'atome, laquelle porte une charge négative ?

Explication : Le proton porte une charge positive, le neutron aucune charge, et l'électron une charge négative.

Les protons et les neutrons sont environ 2000 fois plus lourds qu'un électron. Où se concentre donc la quasi-totalité de la masse d'un atome ?

Explication : Protons et neutrons, environ 2000 fois plus lourds qu'un électron, sont rassemblés dans le noyau : c'est là que se concentre presque toute la masse de l'atome.

Un atome est en réalité :

Explication : Le noyau, où se concentre presque toute la masse, est incroyablement petit par rapport à la sphère que dessinent les électrons autour de lui : l'atome est presque entièrement vide.

Comment écrit-on correctement un symbole chimique formé de deux lettres ?

Explication : La première lettre d'un symbole chimique est toujours une majuscule, la seconde (si elle existe) toujours une minuscule (par exemple Na\text{Na}, Cu\text{Cu}, Fe\text{Fe}).

Le numéro atomique ZZ d'un élément correspond au :

Explication : Le numéro atomique ZZ est le nombre de protons contenus dans le noyau d'un atome : il caractérise entièrement l'élément chimique.

Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est :

Explication : Un atome est toujours électriquement neutre : il possède exactement autant d'électrons que de protons.

Deux atomes du même élément ayant un nombre de neutrons différent restent-ils identifiés comme le même élément chimique ?

Explication : Le nombre de neutrons ne change rien à l'identité de l'élément : seul le nombre de protons (le numéro atomique ZZ) la détermine.

Une molécule est représentée par une formule chimique. Que représentent les indices placés en bas à droite des symboles ?

Explication : Dans une formule chimique, les lettres indiquent quels éléments sont présents et les indices donnent le nombre d'atomes de chaque élément dans la molécule.

Dans l'écriture 3 O23\ \text{O}_2, à quoi correspond le nombre 3, placé devant la formule ?

Explication : Le nombre placé devant la formule est un coefficient : il indique le nombre de molécules. Ici, 3 O23\ \text{O}_2 désigne 3 molécules de dioxygène.

H2O\text{H}_2\text{O} (l'eau) et H2O2\text{H}_2\text{O}_2 (l'eau oxygénée) ne diffèrent que par un seul indice, mais ce sont :

Explication : Changer un indice change la molécule elle-même. H2O\text{H}_2\text{O} (l'eau) et H2O2\text{H}_2\text{O}_2 (l'eau oxygénée, un désinfectant) sont deux substances totalement différentes.

Le dioxygène O2\text{O}_2 est un :

Explication : Un corps pur simple ne contient qu'un seul type d'élément chimique. O2\text{O}_2 ne contient que l'élément oxygène : c'est un corps pur simple, même s'il compte 2 atomes.

L'air, qui contient à la fois du diazote N2\text{N}_2 et du dioxygène O2\text{O}_2, est :

Explication : Un mélange contient au moins deux sortes de molécules différentes. L'air, qui mélange N2\text{N}_2 et O2\text{O}_2, est donc un mélange, pas un corps pur.

Dans un modèle moléculaire en boules et bâtonnets, chaque boule colorée représente :

Explication : Dans un modèle moléculaire, chaque atome est figuré par une boule colorée (une couleur par élément chimique), et chaque liaison entre deux atomes par un bâtonnet.

Le diamètre d'un atome vaut environ 1×10−101 \times 10^{-10} m, celui de son noyau environ 1×10−151 \times 10^{-15} m. Le noyau est donc, par rapport à l'atome entier, environ :

Explication : 10−1010−15=105=100 000\dfrac{10^{-10}}{10^{-15}} = 10^{5} = 100\,000. Le noyau est cent mille fois plus petit que l'atome entier.

Quand la glace fond et devient liquide, que deviennent les molécules H2O\text{H}_2\text{O} ?

Explication : Lors de la fusion de la glace, les molécules restent des H2O\text{H}_2\text{O} du début à la fin : seule leur disposition change (rangée puis désordonnée) : c'est une transformation physique.

Une transformation chimique se reconnaît au fait que :

Explication : Une transformation chimique détruit les molécules de départ et en forme de nouvelles, différentes : de nouvelles substances apparaissent.

Lors d'une transformation chimique, les atomes présents au départ :

Explication : Lors d'une transformation chimique, les atomes se conservent : ils ne disparaissent pas et ne se créent pas, ils se réorganisent seulement pour former de nouvelles molécules.

Combien d'atomes d'oxygène au total contient 2 CO22\ \text{CO}_2 ?

Explication : 2 CO22\ \text{CO}_2 désigne 2 molécules, chacune avec 2 atomes de O.
2×2=42 \times 2 = 4 atomes d'oxygène au total.

On fait fondre du beurre dans une poêle, puis on fait brûler du bois dans un foyer. Quelle affirmation est correcte ?

Explication : Fondre ne change pas les molécules de matière grasse : transformation physique. Brûler détruit les molécules de bois et en forme de nouvelles (cendres, fumée) : transformation chimique.
Chapitre suivant →Équations chimiques et conservation de la matière
S'inscrire