Physique-chimie, Seconde • Fiche de révision à Montréal

Fiche de révision : entités chimiques et transformations (Seconde)

Cette fiche ne refait pas le cours sur les entités chimiques : 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, la conservation à écrire selon la transformation, 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.

Mis à jour le 3 novembre 2026

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Le fil du chapitre

Ce chapitre enchaîne trois échelles, le noyau, l'entité et la mole, et chacune a sa propre règle de conservation. Presque tous les points se perdent au passage de l'une à l'autre : ce qui se conserve dans une transformation chimique ne se conserve pas dans une transformation nucléaire, et un nombre d'entités n'est jamais une quantité de matière. Plusieurs approfondissements débordent du programme de Seconde et sont signalés là où ils apparaissent : la masse molaire, le volume molaire, la concentration en mol/L et le tableau d'avancement, au programme de Première spécialité, et la demi-vie, au programme de Terminale spécialité.

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 (5 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 Mélanges, solutions et dissolution Cinquième
2 Atomes, molécules et transformations chimiques Quatrième
3 Ions, pH, acides et bases Troisième
4 Constitution de la matière
5 L'atome et la classification périodique

Notions couvertes

Notation symbolique du noyau
Isotopes
Ion monoatomique
Entité chimique
Quantité de matière
Masse d'une entité
Équation de réaction
Réactif limitant
Transformation physique
Transformation chimique
Transformation nucléaire
Écriture d'une réaction nucléaire

L'essentiel

Trois transformations, trois conservations différentes

• PHYSIQUE : les entités sont les mêmes avant et après, seul leur arrangement change. Ce sont les ENTITÉS, molécules, ions ou atomes, qui se conservent.
• CHIMIQUE : les entités changent, les noyaux non. Ce sont les ATOMES de chaque élément, et la charge totale, qui se conservent.
• NUCLÉAIRE : les noyaux eux-mêmes se transforment et l'élément change. Ce sont $A$ et $Z$ qui se conservent, pas les éléments.
• La MASSE totale du système se conserve dans les transformations physiques et chimiques. Dans une transformation nucléaire, elle diminue très légèrement (environ $0{,}1\ \%$ lors d'une fission), et cette perte correspond à l'énergie libérée.

La dernière colonne est celle qui décide : on descend d'une ligne et la chose conservée change. Les molécules survivent à un changement d'état, les atomes à une réaction, et seuls

A

Z

à une désintégration.

La question à se poser n'est jamais « qu'est-ce qui a changé d'aspect ? » mais « les entités sont-elles les mêmes ? ». Une dissolution reste physique, une réaction incolore reste chimique.

Ce que compte chaque lettre

• $Z$ compte les PROTONS et identifie l'élément ; $A$ compte les NUCLÉONS ; $N=A-Z$ compte les neutrons.
• $N$ en majuscule, dans $n=\dfrac{N}{N_A}$ , compte les ENTITÉS : c'est un nombre gigantesque et sans unité.
• $n$ en minuscule est la QUANTITÉ DE MATIÈRE, en moles, et vaut, au laboratoire, souvent entre $10^{-3}$ et quelques unités.
• $M$ est la masse molaire, en $\mathrm{g/mol}$ ; $m$ est une masse, en grammes. Le passage de l'une à l'autre est $n=\dfrac{m}{M}$ .

Le même

N

désigne un petit entier sous la notation du noyau,

8

neutrons, et un nombre géant après la multiplication par

N_A

: l'ordre de grandeur dit lequel on tient.

Les manuels emploient la même lettre $N$ pour le nombre de neutrons et pour le nombre d'entités. Dans un exercice, l'ordre de grandeur tranche : un nombre de neutrons est un petit entier, un nombre d'entités s'écrit en puissance de dix. Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire $M$ et $n=\dfrac{m}{M}$ sont au programme de Première spécialité ; en Seconde, on compte les entités d'une masse par la masse d'une entité, $N=\dfrac{m}{m_{\text{entité}}}$ , puis $n=\dfrac{N}{N_A}$ .

La chaîne complète d'un problème de chimie

• 1. Ce que la balance ou l'éprouvette mesure : une masse, un volume, une concentration. Jamais des moles.
• 2. La conversion vers les moles : $n=\dfrac{m}{M}$ , $n=\dfrac{V}{V_m}$ pour un gaz, $n=c\,V$ pour une solution.
• 3. Le raisonnement chimique, qui se fait ENTIÈREMENT en moles : équation ajustée, tableau d'avancement, réactif limitant.
• 4. Le retour vers la grandeur mesurable demandée : masse, volume gazeux ou concentration du produit.

Les deux conversions, en bleu, encadrent le raisonnement : on entre en moles par

n=\dfrac{m}{M}

n=\dfrac{V}{V_m}

n=c\,V

, et l'on en ressort à la dernière étape.

Une copie qui saute l'étape 2 ou l'étape 4 reste inachevée même quand tout le raisonnement chimique est juste : les deux conversions se rédigent. Au-delà du programme de Seconde : $n=\dfrac{m}{M}$ , $n=\dfrac{V}{V_m}$ , $n=c\,V$ et le tableau d'avancement sont au programme de Première spécialité ; en Seconde, on entre en moles par la masse d'une entité, $N=\dfrac{m}{m_{\text{entité}}}$ , puis $n=\dfrac{N}{N_A}$ , et on désigne le réactif limitant en divisant la quantité de matière de chaque réactif par son coefficient.

Les deux ajustements, à ne pas mélanger

• Équation CHIMIQUE : on égalise le nombre d'atomes de chaque élément, en plaçant des coefficients devant les formules.
• Équation NUCLÉAIRE : on égalise la somme des $A$ et la somme des $Z$ de part et d'autre, et l'élément CHANGE.
• Électron émis lors d'une désintégration : $^{0}_{-1}\mathrm{e}$ . Il ne porte aucun nucléon et compte pour $-1$ dans la somme des $Z$ .
• Demi-vie ou période $T$ : la durée au bout de laquelle il reste la MOITIÉ des noyaux. Après $2T$ il en reste le quart, après $3T$ le huitième.

En haut, les atomes se retrouvent tous,

4

H et

2

O de chaque côté ; en bas, l'élément change, du carbone à l'azote, et seules les sommes des

A

et des

Z

tombent juste.

Une période ne se soustrait jamais, elle divise. Après dix périodes il reste encore environ un millième des noyaux. Le modèle n'atteint jamais exactement zéro ; un échantillon réel, au bout de quelques dizaines de périodes, n'a plus de noyau mesurable. Au-delà du programme de Seconde : la demi-vie est au programme de Terminale spécialité ; en Seconde, on écrit et on ajuste l'équation nucléaire.

Configuration électronique, ions et schémas de Lewis

• Configuration : on remplit $1s$ , $2s$ , $2p$ , $3s$ , $3p$ dans cet ordre, et la somme des exposants redonne $Z$ . Chlore : $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^5$ , donc $7$ électrons de valence.
• Un ion monoatomique a la configuration du gaz noble le plus proche : $\mathrm{Na}$ perd un électron et donne $\mathrm{Na^{+}}$ , $\mathrm{Cl}$ en gagne un et donne $\mathrm{Cl^{-}}$ .
• Schéma de Lewis, fourni en Seconde : on y compte les DOUBLETS liants et non liants, pas les liaisons. Le carbone de $\mathrm{CO_2}$ porte $4$ doublets liants, répartis en deux doubles liaisons.

L'énergie d'un changement d'état

• $Q=m\times L$ : $Q$ en joules, $m$ en KILOGRAMMES, $L$ l'énergie massique de changement d'état de l'espèce, en $\mathrm{J/kg}$ . Pour l'eau, $L_f=334\ \mathrm{kJ/kg}$ et $L_v=2260\ \mathrm{kJ/kg}$ à $100\ \mathrm{^\circ C}$ .
• ENDOTHERMIQUE, le système reçoit de l'énergie : fusion, vaporisation, sublimation. EXOTHERMIQUE, il en cède : solidification, liquéfaction, condensation.
• Faire fondre $200\ \mathrm{g}$ de glace : $Q=0{,}200\times 334=66{,}8\ \mathrm{kJ}$ . L'énergie est proportionnelle à la masse qui change d'état.

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. Confondre le nombre d'entités et la quantité de matière

2 points, et un résultat impossible à interpréter

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'échantillon contient $3{,}0\times 10^{23}$ moles de molécules. »

Ce qu'il faut écrire

« L'échantillon contient $3{,}0\times 10^{23}$ molécules, soit $n=\dfrac{3{,}0\times 10^{23}}{6{,}02\times 10^{23}}=0{,}50\ \mathrm{mol}$ . »

Pourquoi : Une quantité de matière de laboratoire se compte souvent en fractions de mole ; un nombre d'entités se compte en $10^{20}$ ou plus. L'ordre de grandeur alerte, et l'unité décide : des molécules se comptent sans unité, une quantité de matière se donne en moles.

2. Prendre un isotope pour un ion

2 points, et la question sur les propriétés chimiques

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le chlore $37$ est un ion du chlore, puisqu'il n'a pas la même composition que le chlore $35$ . »

Ce qu'il faut écrire

« Le chlore $37$ est un ISOTOPE : même $Z$ , deux neutrons de plus. Un ion, lui, a un nombre d'ÉLECTRONS différent, et exactement le même noyau que son atome. »

Une seule ligne change d'une colonne à l'autre : l'isotope modifie les NEUTRONS, l'ion modifie les ÉLECTRONS, et la ligne des protons ne bouge jamais, puisque c'est elle qui dit que ce sont trois chlores.

Pourquoi : Les deux notions changent une chose différente : l'isotope touche au noyau et donc à la masse, l'ion touche au cortège électronique et donc à la chimie. Les confondre revient à croire qu'un isotope réagit autrement, ce qui est faux.

3. Ajuster une équation nucléaire comme une équation chimique

2 points, et la particule émise, qui est la réponse attendue

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}$ : les nombres de nucléons sont égaux, l'équation est juste. »

Ce qu'il faut écrire

« $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$ : $14=14+0$ pour les $A$ , et $6=7+(-1)$ pour les $Z$ . »

Sans l'électron, en rouge, la somme des

Z

ne tombe pas juste,

6\neq 7

. La particule manquante est celle qui rétablit les deux sommes :

^{0}_{-1}\mathrm{e}

Pourquoi : Dans une transformation nucléaire l'élément change, donc chercher à conserver les atomes n'a aucun sens. Ce sont les deux sommes, celle des $A$ et celle des $Z$ , qui doivent tomber juste, et c'est ce qui révèle la particule manquante.

4. Soustraire les demi-vies au lieu de diviser

toute la question de datation

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Après deux périodes, il ne reste plus rien : la moitié, puis l'autre moitié. »

Ce qu'il faut écrire

« Après une période il reste la moitié, après deux périodes la moitié de la moitié, soit le QUART. La proportion est divisée par deux à chaque période, elle n'est jamais retranchée. »

Chaque période divise par deux ce qui reste :

0{,}50

après une,

0{,}25

après deux,

0{,}125

après trois. La courbe du modèle se rapproche de l'axe sans l'atteindre : une période divise, elle ne retranche pas.

Pourquoi : Chaque période agit sur ce qui RESTE, pas sur la quantité de départ. C'est pour cela que la courbe du modèle s'approche de l'axe sans le toucher. Un échantillon réel compte un nombre fini de noyaux : au bout de quelques dizaines de périodes, il n'en reste plus de mesurable. Au-delà du programme de Seconde : la demi-vie est au programme de Terminale spécialité.

5. Croire qu'un ion se comporte comme son atome

1 à 2 points de raisonnement

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'eau salée contient du sodium, donc elle devrait réagir violemment comme le sodium métallique. »

Ce qu'il faut écrire

« L'eau salée contient l'ION $\mathrm{Na^{+}}$ , qui possède l'octet du néon et ne réagit pas avec l'eau. L'atome $\mathrm{Na}$ , lui, a un électron de valence à céder et réagit violemment. »

L'atome garde un électron de valence prêt à partir, en orange ; l'ion

\mathrm{Na^{+}}

l'a déjà perdu et porte l'octet du néon, en bleu : même nom, chimie opposée.

Pourquoi : La réactivité vient des électrons de valence, et l'ion n'en a plus les mêmes. Un ion et son atome ont le même noyau, mais une chimie opposée.

6. Prendre les coefficients de l'équation pour les quantités présentes

toute la partie quantitative de l'exercice

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'équation dit $2\,\mathrm{H_{2}}+\mathrm{O_{2}}$ , donc l'expérience contient $2\ \mathrm{mol}$ de dihydrogène et $1\ \mathrm{mol}$ de dioxygène. »

Ce qu'il faut écrire

« Les coefficients donnent des PROPORTIONS de consommation. Les quantités réellement présentes sont celles de l'énoncé, et c'est en les divisant par les coefficients qu'on trouve le réactif limitant. »

Le mélange réel contient

3{,}0

mol de

\mathrm{H_2}

2{,}0

mol de

\mathrm{O_2}

, pas

2

1

: le dihydrogène s'épuise le premier et il reste

0{,}50

mol de dioxygène.

Pourquoi : L'équation décrit la réaction, pas l'expérience. Si les quantités de l'énoncé sont dans les proportions de l'équation, le mélange est stœchiométrique, et c'est justement un cas particulier qu'il faut savoir reconnaître au lieu de le supposer.

7. Prendre la somme des réactifs pour l'avancement maximal

toute la fin de l'exercice

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Il y a $0{,}80\ \mathrm{mol}$ de méthane et $1{,}2\ \mathrm{mol}$ de dioxygène, donc $2{,}0\ \mathrm{mol}$ de réactifs, et $x_{max}=2{,}0\ \mathrm{mol}$ . »

Ce qu'il faut écrire

« Le total des réactifs ne dit rien ici : on calcule $\dfrac{0{,}80}{1}=0{,}80$ et $\dfrac{1{,}2}{2}=0{,}60$ , et $x_{max}$ est le plus petit des deux, soit $0{,}60\ \mathrm{mol}$ . »

Pourquoi : La somme des quantités de réactifs ne dit rien de l'avancement maximal : $x_{max}$ est le plus petit des rapports $\dfrac{n}{\text{coefficient}}$ . Au-delà du programme de Seconde : l'avancement maximal $x_{max}$ est au programme de Première spécialité ; en Seconde, la même comparaison des rapports désigne le réactif limitant.

8. Utiliser la masse molaire de l'atome pour la molécule

1 à 2 points, et un facteur

2

sur toutes les masses

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $M(\mathrm{O_{2}})=16{,}0\ \mathrm{g/mol}$ , puisque l'oxygène pèse $16$ . »

Ce qu'il faut écrire

« $M(\mathrm{O_{2}})=2\times 16{,}0=32{,}0\ \mathrm{g/mol}$ : la molécule de dioxygène contient deux atomes d'oxygène. »

Une sphère, en rouge, c'est l'atome du tableau ; la molécule de dioxygène en porte deux, en vert, et sa masse molaire vaut

2\times 16{,}0=32{,}0\ \mathrm{g/mol}

Pourquoi : Le tableau périodique donne les masses molaires ATOMIQUES. Les gaz $\mathrm{H_{2}}$ , $\mathrm{N_{2}}$ , $\mathrm{O_{2}}$ , $\mathrm{Cl_{2}}$ sont diatomiques, et l'oubli du facteur $2$ y est l'erreur la plus fréquente ; les gaz nobles, eux, sont monoatomiques. Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire est au programme de Première spécialité ; en Seconde, la même erreur guette la masse d'une entité, qui vaut pour $\mathrm{O_{2}}$ deux fois celle d'un atome d'oxygène.

9. Laisser la masse en grammes dans l'énergie de changement d'état

1 à 2 points, et un résultat mille fois trop grand

Ce qu'il ne faut pas écrire

« $Q=200\times 334=6{,}68\times 10^{4}\ \mathrm{kJ}$ pour faire fondre $200\ \mathrm{g}$ de glace. »

Ce qu'il faut écrire

« $Q=0{,}200\times 334=66{,}8\ \mathrm{kJ}$ : $L_f$ est donnée par kilogramme, la masse se convertit d'abord. »

Pourquoi : L'unité de $L$ dit l'unité de la masse : des $\mathrm{kJ/kg}$ appellent des kilogrammes. Le résultat faux est celui de $200\ \mathrm{kg}$ de glace, et l'ordre de grandeur permet de le repérer.

Quelle méthode choisir

À quelle échelle la question se pose

Les questions de ce chapitre passent sans prévenir du noyau au bécher. Le vocabulaire de l'énoncé dit à quelle échelle on travaille, et donc quelle règle appliquer.

Si l'énoncé parle de protons, de neutrons, de nucléons, d'isotopes ou de désintégration → échelle du NOYAU : on compte avec $A$ , $Z$ et $N=A-Z$ , et on conserve $A$ et $Z$

Exemple : $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$
Si l'énoncé parle d'électrons, de charge, d'ion ou de réactivité → échelle du CORTÈGE ÉLECTRONIQUE : on compte les électrons de valence et on applique la règle de l'octet

Exemple : $\mathrm{Cl}$ gagne un électron et donne $\mathrm{Cl^{-}}$
Si l'énoncé donne une masse, un volume ou une concentration → échelle MACROSCOPIQUE : on convertit d'abord en quantité de matière, avant tout raisonnement chimique

Exemple : $4{,}35\ \mathrm{g}$ de butane donnent $0{,}0750\ \mathrm{mol}$

Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire, le volume molaire et la concentration en mol/L sont au programme de Première spécialité ; en Seconde, on passe d'une masse aux moles par la masse d'une entité, $N=\dfrac{m}{m_{\text{entité}}}$ , puis $n=\dfrac{N}{N_A}$ .
Si l'énoncé décrit un mélange qui réagit et demande un état final → échelle de la RÉACTION : équation ajustée, tableau d'avancement, réactif limitant

Cette étape se fait entièrement en moles, sans jamais revenir aux grammes avant la dernière question. Au-delà du programme de Seconde : le tableau d'avancement est au programme de Première spécialité ; en Seconde, les rapports de chaque quantité de matière à son coefficient suffisent à désigner le réactif limitant.
Si l'énoncé demande un nombre d'atomes, de molécules ou d'ions → échelle du COMPTAGE : on multiplie la quantité de matière par $N_A$ , puis par l'indice de la formule si ce sont des atomes

Exemple : $0{,}50\ \mathrm{mol}$ d'eau contient $1{,}0\ \mathrm{mol}$ d'atomes d'hydrogène

Si une question mélange deux échelles, c'est qu'elle demande une conversion : elle vaut alors un point à elle seule, et il faut écrire la relation utilisée.

Quelle conservation écrire, selon la transformation

Toute justification de ce chapitre repose sur une conservation. Le type de transformation désigne laquelle écrire, et une pesée ajoute celle de la masse.

Si transformation physique, changement d'état ou dissolution → les ENTITÉS, molécules, ions ou atomes, sont conservées : on écrit qu'on retrouve les mêmes entités, dans un autre arrangement

Exemple : la glace qui fond reste faite de molécules $\mathrm{H_{2}O}$
Si transformation chimique → les ATOMES de chaque élément et la charge totale sont conservés : on ajuste l'équation en comptant les atomes

Exemple : $\mathrm{CH_{4}}+2\,\mathrm{O_{2}}\rightarrow\mathrm{CO_{2}}+2\,\mathrm{H_{2}O}$
Si transformation nucléaire → $A$ et $Z$ sont conservés, et l'élément change : on égalise les deux sommes de part et d'autre

Exemple : $^{238}_{92}\mathrm{U}\rightarrow{}^{234}_{90}\mathrm{Th}+{}^{4}_{2}\mathrm{He}$
Si la question porte sur une pesée, lors d'une transformation physique ou chimique → la MASSE totale du système est conservée, à condition de compter tout le système, gaz échappé compris

Exception : dans une transformation nucléaire, la masse diminue très légèrement, et cette perte correspond à l'énergie libérée.

Une conservation citée sans être appliquée ne rapporte rien. Le correcteur attend les deux nombres de part et d'autre, écrits sur la copie.

La rédaction attendue

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

Ajuster et rédiger une équation nucléaire

Quand l'utiliser : L'énoncé donne un noyau instable et demande l'équation de sa désintégration, ou la particule émise.

1 Écrire le noyau de départ avec ses deux nombres, $A$ en haut et $Z$ en bas, puis la flèche.
2 Écrire le noyau formé fourni par l'énoncé, avec son $Z$ lu dans la classification et son $A$ donné par l'énoncé ou par la conservation.
3 Poser la conservation du nombre de nucléons : « La somme des $A$ est la même de part et d'autre. »
4 Poser la conservation du nombre de charges : « La somme des $Z$ est la même de part et d'autre. »
5 En déduire les deux nombres de la particule manquante, l'identifier, puis vérifier les deux sommes.

Phrase de conclusion

La conservation du nombre de nucléons donne $14=14+A$ , donc $A=0$ ; celle du nombre de charges donne $6=7+Z$ , donc $Z=-1$ . La particule émise est un électron $^{0}_{-1}\mathrm{e}$ , et l'équation s'écrit $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$ .

Le piège : Vouloir conserver l'élément. Dans une transformation nucléaire le carbone devient de l'azote : c'est le principe même de la désintégration, et c'est ce que les deux sommes, et elles seules, contrôlent.

Barème : En général 1 point pour chacune des deux conservations écrites, 1 point pour l'identification de la particule, 1 point pour l'équation complète.

La chaîne complète, de la masse pesée à la masse formée

Quand l'utiliser : L'énoncé donne des masses de réactifs et demande la masse ou le volume d'un produit. Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire, le volume molaire, le tableau d'avancement et l'avancement maximal sont au programme de Première spécialité ; en Seconde, on passe d'une masse aux moles par la masse d'une entité, on désigne le réactif limitant par les rapports et on lit la quantité de produit dans les proportions de l'équation.

1 Écrire l'équation ajustée et vérifier le compte des atomes, avant tout calcul.
2 Convertir chaque masse en quantité de matière, en écrivant la masse molaire détaillée de chaque espèce.
3 Dresser le tableau d'avancement littéral, coefficients compris, puis désigner le réactif limitant par les rapports.
4 Lire dans l'état final la quantité de matière du produit demandé.
5 Reconvertir vers la grandeur demandée : $m=n\,M$ pour une masse, $V=n\,V_m$ pour un volume de gaz, et conclure avec l'unité.

Phrase de conclusion

L'avancement maximal vaut $x_{max}=0{,}60\ \mathrm{mol}$ , donc il se forme $n(\mathrm{CO_{2}})=0{,}60\ \mathrm{mol}$ de dioxyde de carbone, soit $m=n\,M=0{,}60\times 44{,}0=26{,}4\ \mathrm{g}$ .

Le piège : Rester en moles à la dernière question. L'énoncé demande une masse ou un volume, parce que c'est ce qu'on mesure au laboratoire : la conversion finale est une question à part entière du barème.

Barème : En Seconde, en général : 1 point pour l'équation, 1 point par passage d'une masse aux moles par la masse d'une entité, 1 point pour le limitant désigné par les rapports, 1 point pour la conclusion. En Première spécialité, le tableau d'avancement s'y ajoute, souvent 2 points.

Vérifier avant de rendre

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

Regarder l'exposant avant de nommer la grandeur

Un nombre en $10^{20}$ ou plus, sans unité, est en général un nombre d'entités. Un nombre entre $10^{-3}$ et quelques unités, en moles, est une quantité de matière de laboratoire. C'est l'unité écrite, mol ou rien, qui tranche : l'ordre de grandeur sert de contrôle, car une trace de carbone $14$ peut valoir $2{,}5\times 10^{-14}\ \mathrm{mol}$ .

$3{,}0\times 10^{23}$ ne peut pas être un nombre de moles d'eau au laboratoire : cela pèserait environ $5\times 10^{21}\ \mathrm{kg}$ , près de quatre fois la masse de tous les océans.
Vérifier les deux sommes d'une équation nucléaire

Additionnez les $A$ à gauche et à droite, puis les $Z$ . Les deux égalités doivent tomber, y compris avec les nombres négatifs de l'électron.

$14=14+0$ et $6=7+(-1)$ : les deux sommes sont bonnes, l'équation est ajustée.
Contrôler qu'un ion a bien la configuration d'un gaz noble

Comptez les électrons de l'ion, $Z$ moins la charge, et vérifiez que ce nombre est celui d'un gaz noble : $2$ , $10$ ou $18$ au programme de Seconde.

$\mathrm{Cl^{-}}$ a $18$ électrons, comme l'argon : la charge annoncée est cohérente.
Recompter les atomes des molécules diatomiques

Avant d'utiliser une masse molaire lue dans le tableau, regardez la formule : $\mathrm{H_{2}}$ , $\mathrm{N_{2}}$ , $\mathrm{O_{2}}$ et $\mathrm{Cl_{2}}$ valent deux fois la valeur du tableau. Au-delà du programme de Seconde : la masse molaire est au programme de Première spécialité ; la même vérification vaut pour la masse d'une entité.

$M(\mathrm{O_{2}})=32{,}0$ et non $16{,}0$ ; l'oubli double la quantité de matière de dioxygène calculée à partir d'une masse, et fausse tout ce qui en découle.
Compter les périodes, pas les années

Dans un exercice de datation, calculez d'abord combien de fois la proportion a été divisée par deux, puis multipliez ce nombre entier par la période. C'est plus sûr que de manipuler la formule. Au-delà du programme de Seconde : la datation par la demi-vie est au programme de Terminale spécialité.

Une proportion tombée au quart correspond à deux divisions par deux, soit $2\times 5730=11\,460$ ans.

L'exercice type décortiqué

La datation au carbone 14, du noyau à la demi-vie

Le carbone naturel contient une trace de carbone $14$ , noté $^{14}_{6}\mathrm{C}$ , radioactif, de période $T=5730$ ans. Un organisme vivant maintient cette proportion constante ; à sa mort, elle diminue.

Un fragment d'os retrouvé sur un chantier contient une proportion de carbone $14$ égale au quart de celle d'un organisme vivant.

Au-delà du programme de Seconde : la demi-vie, question 3, est au programme de Terminale spécialité. Les questions 1, 2 et 4, isotopes, équation nucléaire et passage d'un nombre d'atomes aux moles, sont au programme de Seconde.

1. Donner la composition des noyaux $^{12}_{6}\mathrm{C}$ et $^{14}_{6}\mathrm{C}$ et justifier que ce sont des isotopes.

2. Sachant qu'il se forme de l'azote $^{14}_{7}\mathrm{N}$ , écrire l'équation de désintégration du carbone $14$ .

3. Déterminer l'âge du fragment.

4. Un gramme de carbone d'un organisme vivant contient $6{,}0\times 10^{10}$ atomes de carbone $14$ . Combien en reste-t-il dans un gramme de carbone de cet os, et quelle quantité de matière cela représente-t-il ?

Étape 1

$^{12}_{6}\mathrm{C}$ : $6$ protons et $12-6=6$ neutrons. $^{14}_{6}\mathrm{C}$ : $6$ protons et $14-6=8$ neutrons. Même $Z$ , des $A$ différents : ce sont bien deux isotopes du carbone.

Pourquoi

La justification tient dans la comparaison des deux $Z$ , pas dans celle des $A$ . C'est l'égalité des $Z$ qui fait le mot « isotope », et c'est elle que le correcteur cherche.

Étape 2

Conservation des nucléons : $14=14+A$ , donc $A=0$ . Conservation des charges : $6=7+Z$ , donc $Z=-1$ . La particule émise est un électron, et $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$ .

Pourquoi

On ne devine pas la particule, on la calcule par les deux conservations. Écrire les deux égalités séparément vaut un point chacune, même avant d'avoir nommé l'électron.

Étape 3

La proportion vaut le quart, soit $\dfrac{1}{2}\times\dfrac{1}{2}$ : elle a été divisée par deux à DEUX reprises. L'âge du fragment vaut donc $2T=2\times 5730=11\,460$ ans.

Pourquoi

On compte des périodes entières avant de compter des années. C'est le raisonnement le plus sûr, et il évite la formule exponentielle, vue en Terminale spécialité.

Étape 4

Nombre d'atomes restants : $N=\dfrac{6{,}0\times 10^{10}}{4}=1{,}5\times 10^{10}$ atomes de carbone $14$ par gramme de carbone.

Pourquoi

Le quart de la proportion signifie le quart du nombre d'atomes, puisque la masse de carbone est la même dans les deux échantillons. La division porte donc directement sur $N$ .

Étape 5

Quantité de matière correspondante : $n=\dfrac{N}{N_A}=\dfrac{1{,}5\times 10^{10}}{6{,}02\times 10^{23}}=2{,}5\times 10^{-14}\ \mathrm{mol}$ .

Pourquoi

On DIVISE par $N_A$ pour aller des atomes vers les moles. Le résultat minuscule est normal et confirme le sens de l'opération : le carbone $14$ n'est qu'une trace.

Étape 6

Vérification : $1{,}5\times 10^{10}\times 4=6{,}0\times 10^{10}$ , on retrouve le nombre initial ; et $2{,}5\times 10^{-14}\times 6{,}02\times 10^{23}=1{,}5\times 10^{10}$ , on retrouve le nombre d'atomes.

Pourquoi

Deux substitutions inverses en dix secondes. Elles attrapent l'erreur la plus fréquente de la question, la multiplication par $N_A$ à la place de la division.

Conclusion rédigée

Le carbone $12$ et le carbone $14$ sont deux isotopes, de même $Z=6$ . La désintégration s'écrit $^{14}_{6}\mathrm{C}\rightarrow{}^{14}_{7}\mathrm{N}+{}^{0}_{-1}\mathrm{e}$ , le fragment a $11\,460$ ans, et il contient $1{,}5\times 10^{10}$ atomes de carbone $14$ par gramme, soit $2{,}5\times 10^{-14}\ \mathrm{mol}$ .

L'erreur classique sur cet exercice : Répondre que l'os a $5730\times 4$ ans parce que la proportion vaut le quart. Le quart correspond à deux divisions par deux, donc à deux périodes, pas à quatre : la proportion se divise, elle ne se multiplie pas par le nombre de périodes.

À savoir par cœur

• $Z$ compte les protons et fait l'élément, $A$ compte les nucléons, $N=A-Z$ compte les neutrons.
• $N$ majuscule est un nombre d'entités, $n$ minuscule une quantité de matière en moles, et $n=\dfrac{N}{N_A}$ .
• Isotope : même $Z$ , $A$ différent, donc masse différente et chimie identique. Ion : même noyau, nombre d'ÉLECTRONS différent, donc chimie différente.
• Transformation physique, les entités se conservent ; chimique, les atomes ; nucléaire, $A$ et $Z$ . La masse totale se conserve dans les deux premiers cas.
• Équation nucléaire : on égalise la somme des $A$ et la somme des $Z$ . L'électron émis s'écrit $^{0}_{-1}\mathrm{e}$ .
• Demi-vie, au programme de Terminale spécialité : après une période il reste la moitié, après deux le quart, après trois le huitième : une période divise, elle ne soustrait pas.
• Masse molaire, au programme de Première spécialité : $\mathrm{H_{2}}$ , $\mathrm{N_{2}}$ , $\mathrm{O_{2}}$ , $\mathrm{Cl_{2}}$ sont diatomiques, $M(\mathrm{O_{2}})=32{,}0\ \mathrm{g/mol}$ , pas $16{,}0$ ; les gaz nobles sont monoatomiques.

Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un isotope et un ion ?

Un isotope a le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent : sa masse change, sa chimie non. Un ion a exactement le même noyau que son atome mais un nombre d'électrons différent : sa chimie change complètement. L'un touche au noyau, l'autre au cortège électronique.

Comment ajuster une équation nucléaire ?

On égalise deux sommes, celle des nombres de nucléons écrits en haut et celle des nombres de charges écrits en bas. L'élément, lui, change : c'est le principe même de la désintégration. Les deux égalités donnent les deux nombres de la particule émise, qu'on identifie ensuite.

Que reste-t-il après deux demi-vies ?

Le quart des noyaux de départ, pas rien du tout. Chaque période divise par deux ce qui reste au moment où elle commence, elle ne retranche jamais une quantité fixe. Après trois périodes il reste un huitième, après dix environ un millième. La proportion du modèle n'atteint jamais exactement zéro ; en pratique, au bout de quelques dizaines de périodes, il ne reste plus de noyau mesurable. La demi-vie est au programme de Terminale spécialité, pas de Seconde.

Comment savoir si une transformation est physique, chimique ou nucléaire ?

On regarde les entités avant et après. Si ce sont les mêmes molécules, ions ou atomes et que seul l'état ou l'arrangement change, la transformation est physique. Si les entités changent mais pas les noyaux, elle est chimique. Si les noyaux eux-mêmes se transforment et que l'élément change, elle est nucléaire.

Comment passer d'un nombre de molécules à une quantité de matière ?

On divise le nombre de molécules par la constante d'Avogadro, qui vaut environ six virgule zéro deux fois dix puissance vingt-trois par mole. Pour faire le chemin inverse, on multiplie. Le contrôle est immédiat : un nombre de molécules est énorme et sans unité, une quantité de matière s'écrit en moles et vaut souvent, au laboratoire, moins de quelques unités.

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Exercices corrigés : Entités chimiques et transformations

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.

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© Ahmed Squalli Houssaini. Fiche publiée sur www.letuteurscientifique.ca/fiches/2ndespc-entites-transformations. Libre pour l'usage personnel et en classe ; sa republication ailleurs demande une autorisation écrite (mentions légales).

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