Représentation des molécules et des ions

Exercice n°20 P 50 : Un élément vital.

Oxygène : $^{16}_{8} O \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 4}$

1.Le nuage de l'atome d'oxygène contient : $ 2 + 2 + 4 = 8$ électrons.

2.La dernière couche (2), contient $2+4=6$ électrons. Elle n'est pas complète car elle peut en contenir 8.

Exercice n°21 P 50 : Un gaz inerte.

Argon : $^{40}_{18} Ar \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ 2} \ 3p^{ \ 6}$

1.Les notations 1s, 2s, 2p... correspondent aux sous-couches électroniques (s, p, d...) des couches électroniques (1 , 2...).

2.

Sur la couche 1, on dénombre 2 électrons ($1s^{\color{red}{2}}$).

Sur la couche 2, on dénombre $2+6=8$ électrons ($2s^{\color{red}{2}} \ 2p^{\color{red}{6}}$).

Sur la couche 3, on dénombre $2+6=8$ électrons ($3s^{\color{red}{2}} \ 3p^{\color{red}{6}}$).

3.Au total, on dénombre $2+8+8=18$ électrons.

Exercice n°22 P 50 : Grand froid.

Argon : $^{4}_{2} He \ : \ 1s^{ \ 2}$

1. Le numéro atomique de l'hélium est $Z=2$. Son noyau contient donc 2 protons. Son nuage électronique contient donc aussi 2 électrons. Le nombre de masse est $A=4$, le noyau contient donc : $A-Z=4-2=2$ neutrons.

2. A l'état fondamental, sa répartition électronique est : $1s^{ \ 2}$

Exercice n°23 P 50 : Les gaz nobles.

Argon : $^{20}_{10} Ne \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6}$

1. Sur la dernière couche (2), on dénombre $2+6=8$ électrons de valence.

2. La famille des "gaz nobles" est située dans la dernière colonne de la classification.

3. L'argon (Ar), le krypton (Kr), le xénon (Xe), le radon (Rn).

Exercice n°24 P 51 : Quelques familles chimiques.

Exercice n°26 P 51 : Le tableau périodique.

1. Pour les éléments situés dans une même colonne, on parle de "famille chimique".

2. Tous les éléments d'une même famille chimique ont des propriétés chimiques semblables.

3. Tous les éléments d'une même famille chimique ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe.

4. Pour les élements d'une même famille, le nombre d'électrons sur la dernière couche est le même, mais le nombre total d'électrons est plus grand.

Exercice n°35 P 53 : Quelle famille pour le sodium.

1. Le sodium est situé dans la case précédant celle du magnésium. Il possède donc un élecrons en moins sur sa dernière couche électronique : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ 1}$

2. Pour appartenir à la même famille, des éléments doivent avoir le même nombre d'électrons sur leur dernière couche, ici 1. C'est la cas du lithium $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 1}$

3. Le bérylium est situé dans la même colonne que le magnésium, il possède donc autant d'électrons sur sa couche externe : 2.

Exercice n°37 P 54 : Une famille de métaux.

1. Le nombre de protons est : $Z = A - N = 23-12 = 11$

2a. Des isotopes sont des atomes dont le noyau comtient le même nombre de protons, mais un nombre de neutrons différent.

2b. Le noyau du premier atome contient : $23-12=11$ protons, et $12$ neutrons. Le noyau du deuxièmme atome contient autant de protons (11), et un neutron supplémentaire $24-11=13$.

3. On dénombre $1$ électron sur la couche externe $\left ( 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} 3s^{ \ \color{red}{1}} \right )$. Il est donc situé dans la première colonne du tableau.

4. Appartenant à la même famille, il est aussi situé dans la première colonne, possédant 1 électrons sur sa couche externe.

5. On dénombrera $N=225.10^{ \ -3} \times \mathscr{N}_a = 225.10^{ \ -3} \times 6,2.10^{ \ 23} \ = 1,35.10^{ \ 23}$ atomes.

6. La masse correspondante est : $m=1,84.10^{ \ -26} \times 1,35.10^{ \ 23} =2,48.10^{ \ -3} \ kg$

Exercice n°40 P 55 : Posiiton in the periodic table.

Be : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} $ Mg : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ 2} $

1,2. For Berylium, the number of electrons is : $2+2=4$. It's the number of protons too. The atomic number of berylium is $4$.

It's the same for magnesium : $2+2+6+2=12$

3. The number of electrons in the outermost shell is the same : 2.

4. They are located in the second column.

5. We call them "alkaline earth metals".

Exercice n°41 P 55 : Des ampoules plus économes.

1. Un élément chimique est caractérisé par le nombre de protons situés dans son noyau. C'est son numéro atomique Z.

2. Iode : I ; Brome : Br ; tungstène : W ; Néon : Ne.

3. Le néon possède $6+2=8$ électrons de valence (électrons sur la couche externe).

4. Sa couche externe possédant 8 électrons, il fait partie de la famille des "gaz nobles".

5. Un atome de néon de numéro atomique Z = 10 (2+2+6=10) possède en son noyau 10 protons, et donc 20-10 = 10 neutrons.

6. Les noyau $^{182}W$, $^{184}W$ ,$^{186}W$ sont isotopes : ils ont le même nombre de protons au sein de leurs noyaux, mais un nombre de neutrons différents.

Exercice n°42 P 55 : Le magnésium et ses voisins.

1a. D'après le tableau périodique, le numéro atomique du magnésium est : $Z = 12$

1b. Situé dans la 2ème colonne, il possède 2 électrons sur sa couche externe.

2. Situé à l'intersection de la 3^ème ligne et de la 2^ème colonne, sa configuration éléctronique est : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \color{red}{3}s^{ \ \color{blue}{2}}$

3. L'atome situé dans la case précédente possède un électron de moins sur sa couche externe.

4a. L'atome situé dans la case juste au-dessus est dans la même colonne (2), dans la 2^ème ligne, sa configuration est :$1s^{ \ 2} \ \color{red}{2}s^{ \ \color{blue}{2}} $

4b. Son numéro atomique est : $2+2=4$

4c. Le noyau comportant N = 5 neutrons a un nombre de masse A = 5 + 4 = 9, sa notation est : $^{9}_{4} Be$

5. La masse d'un morceau de magnésium contenant $2,00.10^{ \ 23}$ atomes est : $m \ = \ 2,00.10^{ \ 23} \times 4,01.10^{ \ -26} \ = 8,02.10^{ -3} \ kg$

6. La quantité de matière correspondante est : $n=\dfrac{N}{\mathscr N _a} \ = \ \dfrac{2,00.10^{ \ 23}}{6,02.10^{ \ 23}} \ = \ 0,33 \ mol$

Exercice n°14 P 71 : Eau minérale.

1.

Cations : Sodium, $\left ( Na^{ \ +} \right ), \ Magnésium \left ( Mg^{ \ 2+} \right ), \ Calcium \left (( Ca^{ \ 2+} \right ) $.

Anions monoatomiques : aucun.

2. Les ions calcium et magnésium se trouvent dans la 2ème colonne de la classification.

Répartion électronique du magnésium : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \color{red}{3s^{ \ 2}}$

Répartion électronique du calcium : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ 2} \ 3p^{ \ 6} \ \color{red}{4s^{ \ 2}}$

Tous les deux ont deux électrons de valence sur leur couche externe. Pour satisfaire à la règle de l'octet, ils perdent ces électrons afin de saturer leur dernière couche à 8 électrons :

Répartion électronique de l'ion magnésium : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ \color{red}{2}} \ 2p^{ \ \color{red}{6}}$

Répartion électronique de l'ion calcium : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ \color{red}{2}} \ 3p^{ \ \color{red}{6}} $

Exercice n°15 P 71 : Le sodium.

Na : $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \color{red}{3s^{ \ 1}}$

1. Sa couche externe ne contient qu'un électron, elle n'est pas saturée (à 2 électrons), il aura tendance à s'en "débarasser" pour avoir une dernière couche saturée.

2. Une fois cet électron perdu, il portera une charge négative.

La nouvelle configuration sera : $Na^{ \ +} \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6}}$

3. D'après la formule de l'oxyde de sodium $Na_2O$, on trouve deux ions $Na^{ \ +}$ pour deux ions $O^{ \ 2-}$.

Cette proportion est due à la neutralité électrique de la matière.

Exercice n°18 P 72 : Pierres précieuses.

Exercice n°19 P 72 : Solutions ioniques.

$K \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ 3s^{ \ 2} \ 3p^{ \ 6} \ \color{red}{4s^{ \ 1}}$

$Cl \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \ \color{red}{3s^{ \ 2} \ 3p^{ \ 5}}$

$Be \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2}}$

$F \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 5}}$

1a.

Pour saturer sa dernière couche à 8 électrons, l'atome de potassium perd 1 électron. Il se forme l'ion $K^{ \ +}$.

Pour saturer sa dernière couche à 8 électrons, l'atome de chlore gagne 1 électron. Il se forme l'ion $Cl^{ \ -}$.

1b. La solution étant électriquement neutre, la proportion de chaque ion sera donc de 1 ion $K^{ \ +}$ pour 1 ion $Cl^{ \ -}$.

2a.

Pour saturer sa dernière couche à 8 électrons, l'atome de béryllium perd 2 électrons. Il se forme l'ion $Be^{ \ 2+}$.

Pour saturer sa dernière couche à 8 électrons, l'atome de fluor gagne 1 électron. Il se forme l'ion $F^{ \ -}$.

2b. La matière étant électriquement neutre, la proportion de chaque ion sera donc de 1 ion $Be^{ \ 2+}$ pour 2 ions $F^{ \ -}$.

Exercice n°21 P 72 : La chimie organique

$C \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 2}}$

$N \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{blue}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 3}}$

$O \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{green}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 4}}$

$H \ : \ \color{#7F00FF}{1s^{ \ 1}}$

1.

$\bullet$ L'atome de carbone possède $\color{red}{2+2=4}$ électrons de valence. Il lui manque donc $8 - \color{red}{4} = 4$ électrons pour saturer sa couche externe, il formera donc 4 liaisons de valence.

$\bullet$ L'atome d'azote possède $\color{blue}{2+3=5}$ électrons de valence. Il lui manque donc $8 - \color{blue}{5} = 3$ électrons pour saturer sa couche externe, il formera donc 3 liaisons de valence.

$\bullet$ L'atome d'oxygène possède $\color{green}{2+4=6}$ électrons de valence. Il lui manque donc $8 - \color{green}{6} = 2$ électrons pour saturer sa couche externe, il formera donc 2 liaisons de valence.

$\bullet$ L'atome d'hydrogène possède $\color{#7F00FF}{1}$ électron de valence. Il lui manque donc $2 - \color{#7F00FF}{1} = 1$ électron pour saturer sa couche externe, il formera donc 1 liaison de valence.

2.

$\bullet$ L'atome de carbone ayant la totalité de ses électrons de valence impliqués dans des liaisons de valence, il ne possède aucun doublet non liant.

$\bullet$ L'atome d'azote n'ayant que 3 de ses électrons engagés dans des liaisons de valence, les $5-3 = 2$ restants forment $\dfrac{2}{2} = 1$ doublet non liant.

$\bullet$ L'atome d'oxygène n'ayant que 2 de ses électrons engagés dans des liaisons de valence, les $6-2 = 4$ restants forment $\dfrac{4}{2} = 2$ doublets non liant.

$\bullet$ L'atome d'hydrogène ayant la totalité de ses électrons de valence impliqués dans des liaions de valence, il ne possède aucun doublet non liant.

Exercice n°22 P 72 : Arôme de rhum.

Méthanoate de méthyle : $C_2H_4O_2$

$C \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 2}}$

$O \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{green}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 4}}$

$H \ : \ \color{#7F00FF}{1s^{ \ 1}}$

1. Le nombre total d'électrons de valence est : $2 \ times \color{red}{4} \ + \ 6 \times \color{#7F00FF}{1} \ + \ 2 \times \color{green}{6} \ = \ 24$

2a. D'après la représentation de Lewis, on dénombre : $\color{blue}{8}$ doublets liants.

2b. D'après la représentation de Lewis, on dénombre : $\color{red}{4}$ doublets liants.

3. On retrouve donc : $\color{blue}{8} \times 2 + \color{red}{4} \times 2 = 24$ électrons de valence.

Exercice n°26 P 73 : Chez le coiffeur.

$N \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 3}}$

$O \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{green}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 4}}$

$H \ : \ \color{#7F00FF}{1s^{ \ 1}}$

A	B
Ammoniac	Eau

1.

$\bullet$ L'hydrogène possède : $\color{#7F00FF}{1}$ électron de valence. Sa dernière couche ne possédant qu'un électron de valence, il lui manque 1 électron pour saturer sa couche externe. Il ne forme qu'une liaison de valence.

$\bullet$ L'azote possède : $\color{red}{2+3}=5$ électrons de valence. Il manque : $8-5=3$ électrons pour saturer sa couche externe. Il forme 3 liaisons de valence. Il lui reste $5-3=2$ deux électrons impliqués dans $\dfrac{2}{2} = 1$ doublet non liant.

$\bullet$ L'oxygène possède : $\color{green}{2+4}=6$ électrons de valence. Il manque : $8-6=2$ électrons pour saturer sa couche externe. Il forme 2 liaisons de valence. Il lui reste $6-2=4$ électrons impliqués dans $\dfrac{4}{2} = 2$ doublets non liants.

2.

$\bullet$ Dans la molécule d'ammoniac $NH_3$, les trois électrons de valence libres pour l'hydrogène forment 3 doublets liants avec les 3 électrons de valence impliqués dans les liaisons de valence l'atome d'azote.

$\bullet$ Dans la molécule d'eau $H_2O$, les deux électrons de valence libres pour l'hydrogène forment 2 doublets liants avec les 2 électrons de valence impliqués dans les liaisons de valence l'atome d'oxygène.

Exercice n°33 P 75 : Energie de liaison carbone-chlore.

$C \ : \ 1s^{ \ 2} \ \color{red}{2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 2}}$

$Cl \ : \ 1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ 2} \ 2p^{ \ 6} \color{green}{3s^{ \ 2} \ 3p^{ \ 5}}$

1.

$\bullet$ Le carbone porte $\color{red}{2} + \color{red}{2} \ = \ \color{red}{4}$ électrons sur sa couche externe.

Il lui manque $8 - \color{red}{4} \ = 4$ électrons de valence pour saturer sa couche externe.

Ses $\color{4}$ électrons de valence seront donc impliqués dans des liaisons covalentes.

$\bullet$ Le chlore porte $\color{green}{2} + \color{green}{5} \ = \ \color{green}{7}$ électrons sur sa couche externe.

Il lui manque $8 - \color{green}{7} \ = 1$ électron de valence pour saturer sa couche externe. Cet électron sera impliqué dans une liaison covalente avec un des électrons du carbone.

Les $\color{green}{7} -1 = 6$ autres participeront à $\dfrac{6}{2} \ = \ 3$ doublets non liants.

2. Il faudra donc rompre 4 liaisons covalentes et 12 doublets non liants.

3. La rupture des liaisons entraine une augmentation de l'énergie (de $3,0.10^{ \ -19} \ J$ à $25,0.10^{ \ -19} \ J$).

Exercice n°37 P 76 : L'urée.

Atome Configuration électronique Masse atomique (g) H $1s^{ \ \color{red}{1}}$ $1,66.10^{ \ -24}$ C $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ \color{red}{2}} \ 2p^{ \ \color{red}{2}}$ $1,99.10^{ \ -23}$ O $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ \color{red}{2}} \ 2p^{ \ \color{red}{4}}$ $2,66.10^{ \ -23}$ N $1s^{ \ 2} \ 2s^{ \ \color{red}{2}} \ 2p^{ \ \color{red}{3}}$ $2,32.10^{ \ -23}$

$CH_{ \ 4}N_{ \ 2}O$

1. On dénombre : 8 doublets liants et 4 doublets non liants.

2. D'après la règle de l'octet et du duet :

$\bullet$ L'atome d'hydrogène a 1 électron sur sa couche externe. Il doit en acquérir un pour saturer sa couche externe à 2 éléctrons en créant une liaison covalente.

$\bullet$ L'atome de carbone a 4 électrons sur sa couche externe. Il doit en acquérir 4 pour saturer sa couche externe en créant 4 liaisons covalentes.

$\bullet$ L'atome d'azote a 5 électrons sur sa couche externe. Il doit en acquérir 3 pour saturer sa couche externe en créant 3 liaisons covalentes. Les 2 restant forment un doublet non liant.

$\bullet$ L'atome d'oxygène a 6 électrons sur sa couche externe. Il doit en acquérir 2 pour saturer sa couche externe en créant 2 liaisons covalentes (ici une liaison double). Les 4 restant forment 2 doublets non liants.

3. La masse d'une molécule d'urée est : $m \ = \ 1 \times 1,99.10^{ \ -23} \ + \ 3 \times 1,66.10^{ \ -24} \ + \ 1 \times 2,66.10^{ \ -23} \ + \ 1 \times 2,32.10^{ \ -23} \ = \ 9,95.10^{ \ -23} \ g$

4. La proportion en masse de l'azote dans la molécule d'urée est : $\%(N) \ = \ \dfrac{2 \times 2,32.10^{ \ -23}}{9,95.10^{ \ -23}} \times 100 \ = \ 46,6 \ \%$

Exercice n°38 P 76 : L'acide acétique.

Acide acétique :

$C_2H_4O_2

1. Voir les nombreux cas des exercices précédents.

2. Pour libérer l'ion $H^{ \ +}$, il faut rompre la liaison $ O \ - \ H$, nécessitant $7,69.10^{ \ -19} \ J$

3. L'ion $H^{ \ +}$, et l'ion acétate : $C_2H3O_2^{ \ -}$.

Exercice n°40 P 77 : Des isomères.

Comme expliqué dans les nombreux exemples précédents :

$\bullet$ L'hydrogène ne forme qu'1doublet liant avec un voisin.

$\bullet$ Le carbone forme 4 doublets liants avec ses voisins.

$\bullet$ L'oxygène est quant à lui porteur de 2 doublets non liants et forme 2 doublets de liaison.

L'atome d'oxygène pourra donc former, soit :

$\bullet$ 1er cas : Deux liaisons avec deux atomes de carbone différents :

Dans ce cas, les 6 électrons de valence restants portés par les atomes de carbone se lient à chacun des atomes d'hydrogène par des liaisons de covalence simples.

$\bullet$ 2ème cas : Une liaison avec 1 atome d'hydrogène et 1 liaison avec un atome de de carbone.

Dans ce cas, les 5 électrons de valence restants portés par les atomes de carbone se lient à chacun des atomes d'hydrogène par des liaisons de covalence simples.