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Physique-chimie, Seconde • Fiche de révision à Montréal

Fiche de révision : l'atome et la classification périodique (Seconde)

Cette fiche ne refait pas le cours sur l'atome : vous l'avez déjà dans votre classeur. Elle traite ce que le cours ne dit jamais et qui décide pourtant de la note, l'erreur exacte qui coûte deux points sur une copie, le nombre à compter selon la question posée, et la rédaction que le correcteur de Seconde attend mot pour mot.

Elle est écrite pour les élèves de Seconde du programme français. Une fois la fiche lue, la série d'exercices corrigés du même chapitre met chaque réflexe à l'épreuve.

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Le fil du chapitre

Deux nombres seulement font tout le chapitre : ZZ, qui donne l'IDENTITÉ de l'élément et ne change jamais, et le nombre d'électrons de VALENCE, qui donne toute sa chimie. Les points se perdent quand on fait varier ZZ pour fabriquer un isotope, quand on garde les électrons d'un atome pour son ion, ou quand on cherche les propriétés d'un élément dans sa ligne au lieu de sa colonne.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Seconde
Pour s'entraîner Les exercices corrigés de ce chapitre, 15 exercices

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (4 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1 États de la matière, masse et volume Cinquième
  2. 2 Mélanges, solutions et dissolution Cinquième
  3. 3 Atomes, molécules et transformations chimiques Quatrième
  4. 4 Constitution de la matière

L'essentiel

Ce que AA et ZZ disent, et ce qu'ils ne disent pas

  • • ZAX^{A}_{Z}\mathrm{X} : ZZ est le nombre de PROTONS, AA le nombre de NUCLÉONS. Le nombre de neutrons se déduit, N=A−ZN=A-Z, il n'est jamais écrit.
  • • ZZ est l'identité de l'élément. Changer ZZ, c'est changer d'élément : deux isotopes ont donc forcément le même ZZ.
  • • Un ATOME est neutre : il possède exactement ZZ électrons. Un ION en possède ZZ moins sa charge, comptée avec son signe.
  • • AA est un nombre, pas une masse. La masse du noyau vaut environ A×1,67×10−27 kgA\times 1{,}67\times 10^{-27}\ \mathrm{kg}.
Cl3517A = 35 : nombre de nucléonsZ = 17 : nombre de protonsneutrons : N = A − Z = 35 − 17 = 18électrons de l'atome neutre : Z = 17
Le nombre du haut compte les nucléons, celui du bas les protons ; les neutrons ne sont écrits nulle part, ils se calculent : 35−17=1835-17=18.

Sur une copie, écrivez toujours les trois nombres à la suite, protons, neutrons, électrons, même si l'énoncé n'en demande qu'un : c'est ce qui empêche d'attribuer à l'un ce qui appartient à l'autre.

Remplir les couches, puis s'arrêter au bon endroit

  • • Ordre de remplissage jusqu'à Z=18Z=18 : 1s1s, 2s2s, 2p2p, 3s3s, 3p3p. Toujours dans cet ordre, sans exception à ce niveau.
  • • Capacités : une sous-couche ss contient au plus 22 électrons, une sous-couche pp au plus 66. Une sous-couche pleine se ferme, on passe à la suivante.
  • • Électrons de VALENCE : ceux de la couche de numéro nn le plus élevé, et eux seuls. Le chlore, 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}, en a 77 et non 1717.
  • • La somme des exposants doit redonner le nombre d'électrons : ZZ pour un atome, ZZ moins la charge pour un ion.
1s2s2p3s3pn = 1n = 2n = 32 + 5 = 7 électrons de valencechlore, Z = 17 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵
Le chlore remplit 1s1s, 2s2s, 2p2p et 3s3s, puis s'arrête à 3p53p^{5} : seuls les 2+5=72+5=7 électrons de la couche n=3n=3, en vert, sont des électrons de valence.

Écrivez la somme des exposants dans la marge. Une configuration dont la somme ne tombe pas juste est fausse, et cette vérification prend trois secondes.

Lire la classification : la ligne et la colonne ne disent pas la même chose

  • • La LIGNE (ou période) donne le numéro nn de la couche externe : 3e3^{e} ligne, couche externe n=3n=3.
  • • La COLONNE donne le nombre d'électrons de valence, et c'est elle qui gouverne les propriétés chimiques. Dans le tableau à 1818 colonnes, le numéro le donne directement pour les colonnes 11 et 22 ; pour les colonnes 1313 à 1818, on retranche 1010, l'hélium mis à part.
  • • Les familles se lisent donc verticalement : alcalins en colonne 11, halogènes en colonne 1717 des tables complètes, gaz nobles en dernière colonne.
  • • Règles du duet et de l'octet : un atome gagne ou perd des électrons pour atteindre la configuration du gaz noble le plus proche, 22 électrons de valence pour les plus légers, 88 ensuite.
HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClAr12345678électrons de valencen = 1n = 2n = 3
Une LIGNE, c'est la couche externe ; une COLONNE, c'est le nombre d'électrons de valence, donc les propriétés. Le sodium ressemble au lithium, qui est au-dessus, pas au chlore, qui est sur la même ligne.

L'électroneutralité : un ion est chargé, la matière ne l'est jamais

  • • Un ATOME est électriquement neutre : ZZ protons de charge +e+e, ZZ électrons de charge −e-e. Un ION ne l'est pas : Na+\mathrm{Na^{+}} porte +e+e, O2−\mathrm{O^{2-}} porte −2e-2e.
  • • Un échantillon de matière, lui, est TOUJOURS neutre : les ions n'existent jamais seuls, chaque cation est accompagné d'assez d'anions pour que la somme des charges soit nulle.
  • • Solide ionique : les indices de la formule annulent la somme des charges. NaCl\mathrm{NaCl} : (+1)+(−1)=0(+1)+(-1)=0 ; CaCl2\mathrm{CaCl_{2}} : (+2)+2×(−1)=0(+2)+2\times(-1)=0 ; Al2O3\mathrm{Al_{2}O_{3}} : 2×(+3)+3×(−2)=02\times(+3)+3\times(-2)=0.
  • • Solution ionique : même règle pour les ions dispersés dans l'eau. Le chlorure de calcium dissous donne deux fois plus d'ions Cl−\mathrm{Cl^{-}} que d'ions Ca2+\mathrm{Ca^{2+}}, et la solution reste neutre : 2×N(Ca2+)=N(Cl−)2\times N(\mathrm{Ca^{2+}})=N(\mathrm{Cl^{-}}).

C'est l'électroneutralité qui permet d'associer des ions et d'écrire la formule d'un composé ionique sans l'avoir apprise : on cherche les plus petits indices qui annulent la somme des charges, comme dans la rédaction plus bas.

Les ordres de grandeur qu'il faut connaître par cœur

  • • Rayon d'un atome : 10−10 m10^{-10}\ \mathrm{m}. Rayon d'un noyau : 10−15 m10^{-15}\ \mathrm{m}. Rapport 10510^{5} sur les longueurs, donc 101510^{15} sur les volumes.
  • • Masse d'un nucléon : 1,67×10−27 kg1{,}67\times 10^{-27}\ \mathrm{kg}. Masse d'un électron : 9,11×10−31 kg9{,}11\times 10^{-31}\ \mathrm{kg}, soit environ 18001800 fois moins.
  • • Charge élémentaire : e=1,60×10−19 Ce=1{,}60\times 10^{-19}\ \mathrm{C}. Le proton porte +e+e, l'électron −e-e.
  • • Constante d'Avogadro : NA=6,02×1023 mol−1N_A=6{,}02\times 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}.

Toute la masse est dans le noyau, tout le volume est dans le nuage électronique : c'est la phrase qui résume le chapitre et qui répond à la moitié des questions de cours.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Faire varier ZZ pour fabriquer un isotope

2 points, et la question sur les propriétés chimiques devient impossible

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le carbone 1414 possède 1414 protons. »

Ce qu'il faut écrire

« Le carbone 1414 possède Z=6Z=6 protons, comme tout carbone, et A−Z=14−6=8A-Z=14-6=8 neutrons. »

plein : proton vide : neutroncarbone 12carbone 146 p et 6 n6 p et 8 n
Les deux noyaux ont exactement le même nombre de points pleins, 66 protons : c'est ce qui en fait deux carbones. Seuls les points vides changent, 66 neutrons à gauche contre 88 à droite.

Pourquoi : Le nombre écrit après le nom de l'élément est AA, jamais ZZ. Si ZZ changeait, ce ne serait plus du carbone : c'est justement parce que ZZ reste identique que deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques.

2. Compter les électrons d'un ion comme ceux de l'atome

2 points, et toute la justification par la règle de l'octet

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Mg2+\mathrm{Mg^{2+}} a Z=12Z=12, il possède donc 1212 électrons. »

Ce qu'il faut écrire

« Mg2+\mathrm{Mg^{2+}} a perdu deux électrons : il en possède 12−2=1012-2=10, et sa configuration 1s22s22p61s^{2}2s^{2}2p^{6} est celle du néon. »

12+12+perd 2 électronsatome de magnésiumion magnésium2, 8, 22, 8
Le noyau est le même des deux côtés, 1212 protons : c'est toujours du magnésium. Seule la couche externe disparaît, ses deux électrons partent, et l'ion se retrouve avec l'octet du néon.

Pourquoi : La charge d'un ion vient d'un déficit ou d'un excès d'ÉLECTRONS, jamais de protons : les protons sont dans le noyau et une réaction chimique n'y touche pas. Une charge +2+2 signifie donc deux électrons en moins.

3. Dépasser la capacité d'une sous-couche

1 à 2 points, et la position dans le tableau devient fausse

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Z=13Z=13 : 1s22s22p91s^{2}2s^{2}2p^{9}. »

Ce qu'il faut écrire

« Z=13Z=13 : 1s22s22p63s23p11s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{1}, une sous-couche pp ne dépassant jamais 66 électrons. »

faux : 1s² 2s² 2p⁹1s2s2pjuste : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p¹1s2s2p3s3p
Une sous-couche pp n'a que six places : les trois électrons de trop, en rouge, n'ont nulle part où aller. Ils passent en 3s3s puis en 3p3p, et 2+2+6+2+1=132+2+6+2+1=13.

Pourquoi : Le remplissage est une file d'attente : une sous-couche pleine se ferme et le suivant passe à la sous-couche d'après. Une configuration fausse fait ensuite compter les mauvais électrons de valence, donc la mauvaise colonne, donc le mauvais ion.

4. Prendre tous les électrons pour des électrons de valence

2 points, plus la colonne et l'ion qui en découlent

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chlore possède 1717 électrons, il a donc 1717 électrons de valence. »

Ce qu'il faut écrire

« Le chlore a pour configuration 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5} : ses électrons de valence sont ceux de la couche n=3n=3, soit 2+5=72+5=7. »

Pourquoi : Seuls les électrons de la couche la plus externe participent aux réactions, les autres sont enfouis. C'est pour cela que le fluor et le chlore, très différents par leur taille, se comportent presque de la même manière.

5. Chercher les propriétés d'un élément dans sa ligne

1 point, et souvent la question sur la famille chimique

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le sodium et le chlore sont sur la troisième ligne, ils ont donc des propriétés voisines. »

Ce qu'il faut écrire

« Le sodium est dans la colonne 11, comme le lithium et le potassium : ce sont eux qui lui ressemblent. Le chlore, dans la colonne des halogènes, se comporte tout autrement. »

HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKmême ligne :comportements opposésmême colonne : propriétés voisines
Le sodium ressemble au lithium et au potassium, ses voisins de COLONNE en vert, et non au chlore de sa ligne en rouge : c'est la colonne qui fixe les électrons de valence.

Pourquoi : La ligne dit seulement quelle couche est en train de se remplir, la colonne dit combien d'électrons s'y trouvent. Les deux bouts d'une même ligne sont chimiquement opposés : le sodium cède un électron, le chlore en capte un.

6. Écrire une formule ionique sans neutraliser les charges

2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'aluminium donne Al3+\mathrm{Al^{3+}} et l'oxygène O2−\mathrm{O^{2-}}, donc le composé s'écrit AlO\mathrm{AlO}. »

Ce qu'il faut écrire

« Il faut 22 ions Al3+\mathrm{Al^{3+}} pour 33 ions O2−\mathrm{O^{2-}} : 2×(+3)+3×(−2)=02\times(+3)+3\times(-2)=0, la formule est Al2O3\mathrm{Al_{2}O_{3}}. »

faux : AlOAl³⁺O²⁻charge totale : +3 − 2 = +1juste : Al₂O₃Al³⁺Al³⁺O²⁻O²⁻O²⁻2 × (+3) + 3 × (−2) = 0
Un Al3+\mathrm{Al^{3+}} face à un O2−\mathrm{O^{2-}} laisse une charge +1+1, impossible pour un solide ; deux Al3+\mathrm{Al^{3+}} et trois O2−\mathrm{O^{2-}} apportent +6+6 et −6-6, et la somme s'annule.

Pourquoi : Un solide ionique est électriquement neutre, sans exception. Les indices de la formule ne sont pas décoratifs, ils sont exactement ce qu'il faut pour que la somme des charges s'annule.

7. Confondre le nombre de nucléons et une masse

2 points, et l'ordre de grandeur devient absurde

Ce qu'il ne faut pas écrire

« A=35A=35 pour le chlore, donc un atome de chlore pèse 35 g35\ \mathrm{g}. »

Ce qu'il faut écrire

« A=35A=35 est un NOMBRE de nucléons ; la masse d'un atome de chlore vaut environ 35×1,67×10−27=5,8×10−26 kg35\times 1{,}67\times 10^{-27}=5{,}8\times 10^{-26}\ \mathrm{kg}. »

Pourquoi : 35 g35\ \mathrm{g}, c'est la masse d'une MOLE d'atomes, c'est-à-dire de 6,02×10236{,}02\times 10^{23} atomes. Un facteur NA=6,02×1023N_A=6{,}02\times 10^{23} sépare les deux, et rien dans l'énoncé ne prévient : c'est à vous de regarder l'unité demandée. Au-delà du programme de Seconde : la masse d'une mole d'atomes, la masse molaire, est au programme de Première spécialité ; en Seconde, on retient la masse d'UN atome.

8. Se représenter un atome plein

1 point de cours, systématiquement demandé

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le noyau occupe une bonne partie de l'atome, comme le noyau d'une cerise. »

Ce qu'il faut écrire

« Le rayon de l'atome est 10510^{5} fois celui du noyau, donc son volume est 101510^{15} fois plus grand : l'atome est essentiellement VIDE, et toute sa masse tient dans le noyau. »

faux :un noyau de cerisejuste :un point dans du videatome de 100 m :noyau de 1 mm
La cerise, en rouge, se trompe d'un facteur cent mille : à l'échelle d'un atome de 100 m100\ \mathrm{m}, le noyau ferait 1 mm1\ \mathrm{mm}, un point au centre d'un nuage presque vide.

Pourquoi : C'est précisément cette structure lacunaire que l'expérience de Rutherford a mise en évidence : la quasi-totalité des particules traverse la feuille d'or sans être déviée, parce qu'elles ne rencontrent aucun noyau.

Quelle méthode choisir

Que faut-il compter, selon la question

Toutes les questions du chapitre demandent de compter quelque chose, et ce n'est jamais la même chose. Le mot de l'énoncé désigne le nombre, avant tout calcul.

  • Si l'énoncé demande le nombre de protons, la charge du noyau ou l'identité de l'élément → ZZ, lu en bas à gauche du symbole

    Exemple : 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl} : 1717 protons, charge du noyau +17e+17e

  • Si l'énoncé demande le nombre de neutrons → N=A−ZN=A-Z, une soustraction, jamais une lecture directe

    Exemple : 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl} : 35−17=1835-17=18 neutrons

  • Si l'énoncé demande le nombre d'électrons d'un ATOME → ZZ, puisque l'atome est neutre

    Exemple : l'atome de chlore possède 1717 électrons

  • Si l'énoncé demande le nombre d'électrons d'un ION → ZZ moins la charge, comptée AVEC son signe

    Exemple : Cl−\mathrm{Cl^{-}} : 17−(−1)=1817-(-1)=18 électrons ; Mg2+\mathrm{Mg^{2+}} : 12−2=1012-2=10

  • Si l'énoncé demande les électrons de VALENCE, la colonne ou l'ion formé → seulement les électrons de la couche de plus grand nn dans la configuration

    Exemple : 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5} : 77 électrons de valence

  • Si l'énoncé demande une masse → A×1,67×10−27 kgA\times 1{,}67\times 10^{-27}\ \mathrm{kg} pour UN atome, ou la masse molaire en g/mol\mathrm{g/mol} pour une mole

    Le passage de l'un à l'autre se fait par NAN_A, jamais autrement.

Si aucune branche ne s'applique, c'est que la question porte sur les ordres de grandeur : atome 10−10 m10^{-10}\ \mathrm{m}, noyau 10−15 m10^{-15}\ \mathrm{m}, et toute la masse dans le noyau. Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire, citée dans la dernière branche, est au programme de Première spécialité ; en Seconde, on calcule la masse d'UN atome.

Quel ion un élément va-t-il former

On ne devine pas un ion, on le lit sur le nombre d'électrons de valence, c'est-à-dire sur la colonne. La cible est toujours la même : la configuration du gaz noble le plus proche.

Na : 2, 8, 1perd 1 électronNa⁺ : 2, 8Cl : 2, 8, 7gagne 1 électronCl⁻ : 2, 8, 8les deux ions :8 électrons sur leurcouche externe
Avec un électron de valence, le sodium le PERD ; avec sept, le chlore en GAGNE un : les deux ions finissent avec huit électrons sur leur couche externe, comme un gaz noble.

  • Si 11, 22 ou 33 électrons de valence (colonnes de gauche) → l'atome les PERD et forme un cation de charge +1+1, +2+2 ou +3+3

    Exemple : Na\mathrm{Na} donne Na+\mathrm{Na^{+}}, Mg\mathrm{Mg} donne Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}, Al\mathrm{Al} donne Al3+\mathrm{Al^{3+}}

  • Si 55, 66 ou 77 électrons de valence (colonnes de droite) → l'atome en GAGNE et forme un anion de charge −3-3, −2-2 ou −1-1

    Exemple : N\mathrm{N} donne N3−\mathrm{N^{3-}}, O\mathrm{O} donne O2−\mathrm{O^{2-}}, Cl\mathrm{Cl} donne Cl−\mathrm{Cl^{-}}

  • Si 44 électrons de valence → l'atome ne forme pas d'ion monoatomique : il PARTAGE ses électrons en formant quatre liaisons covalentes

    Exemple : le carbone dans CH4\mathrm{CH_{4}}

  • Si 88 électrons de valence, ou 22 pour l'hélium → gaz noble : aucune tendance à former un ion, une réactivité quasi nulle

    C'est cette stabilité qui sert de cible à tous les autres éléments.

Le contrôle se fait en une ligne : après le gain ou la perte, l'ion doit avoir la configuration électronique exacte d'un gaz noble. Sinon, la charge annoncée est fausse.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Établir une configuration électronique et en déduire la place dans le tableau

Quand l'utiliser : L'énoncé donne un ZZ et demande la configuration, la position dans la classification, la famille ou l'ion formé.

  1. 1 Dire combien d'électrons on répartit, et pourquoi : « L'atome est neutre, il possède donc Z=17Z=17 électrons. »
  2. 2 Remplir dans l'ordre en respectant les capacités : « 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}. »
  3. 3 Contrôler la somme des exposants et l'écrire : « 2+2+6+2+5=172+2+6+2+5=17, le compte est bon. »
  4. 4 Identifier la couche externe et compter ses électrons : « La couche externe est n=3n=3, elle porte 2+5=72+5=7 électrons de valence. »
  5. 5 Conclure sur la position et la conséquence chimique : ligne, colonne, famille, puis ion formé par la règle de l'octet.

Phrase de conclusion

L'atome de chlore a pour configuration électronique 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}. Sa couche externe est la couche n=3n=3 et porte 77 électrons de valence : il appartient donc à la troisième ligne et à la colonne des halogènes, et il gagne un électron pour former l'ion Cl−\mathrm{Cl^{-}}.

Le piège : Sauter l'étape 3. La somme des exposants est le seul contrôle du chapitre, et il coûte trois secondes : sans lui, une configuration fausse entraîne la colonne fausse, puis l'ion faux, et trois questions tombent d'un coup.

Barème : En général 1 point pour la configuration, 1 point pour les électrons de valence identifiés, 1 point pour la position justifiée, 1 point pour l'ion et sa justification par l'octet.

Justifier la formule d'un composé ionique

Quand l'utiliser : L'énoncé donne deux éléments, ou deux ions, et demande la formule du solide qu'ils forment.

  1. 1 Déterminer la charge de chaque ion à partir du nombre d'électrons de valence, en citant la règle du duet ou de l'octet.
  2. 2 Poser la condition de neutralité : « Le solide ionique est électriquement neutre, la somme des charges doit être nulle. »
  3. 3 Chercher les plus petits entiers qui l'assurent, en écrivant l'égalité des charges totales.
  4. 4 Écrire la formule avec ces indices, sans mentionner les charges.
  5. 5 Vérifier en recalculant la somme des charges.

Phrase de conclusion

L'aluminium perd trois électrons et donne Al3+\mathrm{Al^{3+}}, l'oxygène en gagne deux et donne O2−\mathrm{O^{2-}}. La neutralité impose 2×(+3)+3×(−2)=02\times(+3)+3\times(-2)=0, donc la formule du solide est Al2O3\mathrm{Al_{2}O_{3}}.

Le piège : Laisser les charges dans la formule du solide et écrire Al23+O32−\mathrm{Al_{2}^{3+}O_{3}^{2-}}. La formule d'un solide ionique s'écrit sans charges : ce sont les indices qui portent l'information.

Barème : 1 point par charge d'ion justifiée, 1 point pour la neutralité posée, 1 point pour la formule.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Les deux isotopes du chlore, comme au contrôle

Le chlore naturel est un mélange de deux isotopes : 1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl}, de masse molaire 34,97 g/mol34{,}97\ \mathrm{g/mol}, présent à 75,8 %75{,}8\ \%, et 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl}, de masse molaire 36,97 g/mol36{,}97\ \mathrm{g/mol}, présent à 24,2 %24{,}2\ \%.

Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire moyenne de la question 3 est au programme de Première spécialité ; les questions 1, 2 et 4 sont au programme de Seconde.

1. Donner la composition des deux noyaux et le nombre d'électrons de chaque atome.

2. Justifier que ces deux isotopes ont les mêmes propriétés chimiques.

3. Calculer la masse molaire atomique moyenne du chlore.

4. Écrire la configuration électronique du chlore, en déduire sa position dans la classification et l'ion qu'il forme.

Étape 1

1735Cl^{35}_{17}\mathrm{Cl} : 1717 protons, 35−17=1835-17=18 neutrons, et 1717 électrons puisque l'atome est neutre. 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl} : 1717 protons, 37−17=2037-17=20 neutrons, 1717 électrons.

Pourquoi

Les deux ZZ sont écrits identiques dans l'énoncé et le restent : c'est la définition même de deux isotopes. Seule la soustraction A−ZA-Z change, et c'est le seul calcul de la question.

Étape 2

Les deux atomes possèdent 1717 électrons, donc la même configuration électronique, donc les mêmes 77 électrons de valence : leurs propriétés chimiques sont identiques.

Pourquoi

La justification attendue passe par les ÉLECTRONS, pas par le noyau. Répondre « parce qu'ils ont le même ZZ » ne vaut que la moitié du point : il faut dire pourquoi le même ZZ entraîne la même chimie.

Étape 3

M=0,758×34,97+0,242×36,97=26,51+8,947=35,45M=0{,}758\times 34{,}97+0{,}242\times 36{,}97=26{,}51+8{,}947=35{,}45, soit M≈35,5 g/molM\approx 35{,}5\ \mathrm{g/mol}.

Pourquoi

C'est une moyenne PONDÉRÉE : chaque masse est multipliée par sa proportion. Prendre la demi-somme, environ 3636, ignorerait que l'isotope 3535 est trois fois plus abondant.

Étape 4

Configuration : 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}, et 2+2+6+2+5=172+2+6+2+5=17, le compte est bon.

Pourquoi

La somme écrite est le contrôle du chapitre. Elle prouve au correcteur que la configuration n'a pas été recopiée de mémoire, et elle attrape l'erreur d'un électron.

Étape 5

Couche externe n=3n=3, portant 2+5=72+5=7 électrons de valence : le chlore est sur la troisième ligne, dans la colonne des halogènes.

Pourquoi

Ligne et colonne se lisent sur deux informations différentes de la même configuration : le numéro de couche pour la ligne, le nombre d'électrons de cette couche pour la colonne.

Étape 6

Il manque un électron au chlore pour l'octet : il en gagne un et forme Cl−\mathrm{Cl^{-}}, de configuration 1s22s22p63s23p61s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{6}, celle de l'argon.

Pourquoi

On termine en nommant le gaz noble atteint. C'est la vérification de la règle de l'octet, et c'est aussi la phrase qui rapporte le dernier point.

Étape 7

Vérification : 35,535{,}5 est compris entre 34,9734{,}97 et 36,9736{,}97, et plus proche de 34,9734{,}97, ce qui est cohérent avec la prédominance de l'isotope léger.

Pourquoi

Une masse molaire moyenne tombe toujours entre les deux masses isotopiques, du côté du plus abondant. Un résultat hors de cet intervalle signale une erreur de pourcentage.

Conclusion rédigée

Les deux isotopes du chlore ne diffèrent que par leurs neutrons, 1818 contre 2020, ce qui leur donne la même chimie et une masse molaire moyenne de 35,5 g/mol35{,}5\ \mathrm{g/mol}. De configuration 1s22s22p63s23p51s^{2}2s^{2}2p^{6}3s^{2}3p^{5}, le chlore possède 77 électrons de valence et forme l'ion Cl−\mathrm{Cl^{-}}.

L'erreur classique sur cet exercice : Écrire que 1737Cl^{37}_{17}\mathrm{Cl} possède 3737 protons, ou calculer la masse molaire moyenne comme la demi-somme de 34,9734{,}97 et 36,9736{,}97. Les deux erreurs viennent du même réflexe : lire un nombre au lieu de se demander ce qu'il désigne.

À savoir par cœur

  • • ZZ compte les protons et donne l'ÉLÉMENT ; AA compte les nucléons; le nombre de neutrons est A−ZA-Z et ne s'écrit nulle part.
  • • Deux isotopes ont le même ZZ et des AA différents : même chimie, masses différentes.
  • • Atome : ZZ électrons. Ion : ZZ moins la charge, prise avec son signe.
  • • Un atome est neutre, un ion est chargé, mais un solide ionique et une solution sont toujours électriquement NEUTRES : la somme des charges de leurs ions est nulle.
  • • Remplissage jusqu'à Z=18Z=18 : 1s1s, 2s2s, 2p2p, 3s3s, 3p3p, avec au plus 22 électrons en ss et 66 en pp.
  • • Électrons de valence : ceux de la couche de plus grand nn, et eux seuls. Ce sont eux qui font toute la chimie.
  • • Ligne du tableau : numéro de la couche externe. Colonne : elle fixe le nombre d'électrons de valence, son numéro pour les colonnes 11 et 22, son numéro moins 1010 pour les colonnes 1313 à 1818.
  • • Toute la masse est dans le noyau, tout le volume est dans le nuage électronique : le rayon de l'atome vaut 10510^{5} fois celui du noyau.

Questions fréquentes

Comment trouver le nombre de neutrons d'un atome ?

On soustrait le numéro atomique du nombre de nucléons. Le numéro atomique est écrit en bas à gauche du symbole et compte les protons, le nombre de nucléons est écrit en haut à gauche. Pour le chlore 35, dont le numéro atomique vaut 17, il reste donc 18 neutrons. Ce nombre n'est jamais donné directement.

Pourquoi deux isotopes ont-ils les mêmes propriétés chimiques ?

Parce qu'ils ont le même nombre de protons, donc le même nombre d'électrons, donc la même configuration électronique et les mêmes électrons de valence. Or la chimie ne dépend que des électrons de la couche externe. Les neutrons changent la masse de l'atome, jamais son comportement chimique.

Comment savoir quel ion un atome va former ?

On compte ses électrons de valence sur sa configuration électronique. S'il en a un, deux ou trois, il les perd et forme un cation de charge positive correspondante. S'il en a cinq, six ou sept, il en gagne pour atteindre huit et forme un anion. La cible est toujours la configuration du gaz noble le plus proche.

Quelle est la différence entre une ligne et une colonne du tableau périodique ?

La ligne indique le numéro de la couche électronique externe : troisième ligne, couche externe numéro trois. La colonne indique le nombre d'électrons de valence, et c'est elle qui gouverne les propriétés chimiques. Deux éléments d'une même colonne se ressemblent, deux éléments d'une même ligne non.

Pourquoi dit-on que l'atome est essentiellement vide ?

Parce que le rayon de l'atome vaut environ cent mille fois celui de son noyau, ce qui fait un volume un million de milliards de fois plus grand. Toute la masse est concentrée dans ce noyau minuscule, le reste n'est occupé que par des électrons très légers. C'est ce que l'expérience de Rutherford a démontré.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : L'atome et la classification périodique

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 225 minutes
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© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/2ndespc-atome-classification. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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