Les Métaux du Quotidien : Utilisation et Propriétés
Contexte : L'étude des atomesLa plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est composé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons. métalliques.
Les métaux comme le fer, l'aluminium et le cuivre sont partout autour de nous : dans nos maisons, nos téléphones, et même nos moyens de transport. Leurs propriétés si différentes (le fer est magnétique, l'aluminium est léger, le cuivre conduit l'électricité) proviennent toutes de leur structure fondamentale : l'atome. Cet exercice va vous apprendre à calculer la composition de ces atomes et à comprendre comment ils forment des ionsUn atome ou un groupe d'atomes qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, lui donnant une charge électrique nette (positive ou négative)..
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à utiliser les numéros atomiques (Z) et les nombres de masse (A) pour déterminer la composition de n'importe quel atome ou ion simple, une compétence clé en chimie.
Objectifs Pédagogiques
- Calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons d'un atome neutre.
- Établir la structure électronique (répartition en couches K, L, M) d'un atome.
- Calculer la charge électrique d'un noyau atomique.
- Déterminer la composition d'un ion métallique (cation).
Données de l'étude
Fiche Technique des Utilisations
| Métal | Utilisation Principale |
|---|---|
| Fer (souvent en alliage : acier) | Construction (bâtiments, ponts), automobile |
| Aluminium | Aéronautique (avions), emballages (canettes), fenêtres |
| Cuivre | Câbles et composants électriques, tuyauterie |
Modèles de Bohr simplifiés (Atomes)
| Nom du Paramètre | Description ou Formule | Fer (Fe) | Aluminium (Al) | Cuivre (Cu) |
|---|---|---|---|---|
| Numéro Atomique (Z) | Nombre de protons | 26 | 13 | 29 |
| Nombre de Masse (A) | Nombre de nucléons (protons + neutrons) | 56 | 27 | 64 |
| Charge élémentaire (e) | Charge d'un proton | \( 1,602 \times 10^{-19} \) Coulombs (C) | ||
Questions à traiter
- Calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons présents dans un atome de Fer (Fe).
- Donner la structure électronique (répartition des électrons sur les couches K, L, M) d'un atome d'Aluminium (Al).
- Calculer la charge électrique totale, en Coulombs (C), du noyau d'un atome de Cuivre (Cu).
- Le fer forme facilement l'ion Fer II, de formule \(Fe^{2+}\). Calculer le nombre d'électrons que possède cet ion.
- Expliquer pourquoi l'atome d'Aluminium forme l'ion \(Al^{3+}\) et donner la structure électronique de cet ion.
Les bases sur l'Atome et les Ions
Pour résoudre cet exercice, nous devons nous rappeler comment est structuré un atome et ce qui le différencie d'un ion.
1. Structure de l'atome
Un atome est composé d'un noyau central et d'électrons qui tournent autour.
- Le noyau contient des protons (charge positive, \(+e\)) et des neutrons (pas de charge).
- Le Numéro Atomique (Z)Représente le nombre de protons dans le noyau d'un atome. C'est ce qui définit un élément chimique. est le nombre de protons.
- Le Nombre de Masse (A)Représente le nombre total de particules dans le noyau (protons + neutrons). est le nombre total de nucléons (protons + neutrons).
- Un atome est électriquement neutre : il possède autant d'électrons (charge \(-e\)) que de protons.
2. Formation des ions (Cations)
Les métaux sont des éléments qui ont tendance à perdre des électrons (ceux de leur couche externe) pour devenir stables. En perdant des électrons (négatifs), l'atome (neutre) devient un ion positif, appelé cation.
\[ N_{\text{électrons (ion)}} = N_{\text{électrons (atome)}} - \text{(charge de l'ion)} \]
Par exemple, un ion \(X^{2+}\) a perdu 2 électrons.
Correction : Les Métaux du Quotidien : Utilisation et Propriétés
Question 1 : Calculer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons d'un atome de Fer (Fe).
Principe
Le principe est simple : l'identité d'un atome (ici, le Fer) est déterminée par son nombre de protons (Z), qui est sa "carte d'identité". Sa masse (A) est la somme des particules lourdes : protons et neutrons. Enfin, sa neutralité électrique (le fait que ce soit un "atome") impose que le nombre d'électrons (négatifs) équilibre exactement le nombre de protons (positifs).
Mini-Cours
Rappel des définitions fondamentales :
- Z (Numéro Atomique) = Nombre de protons (p+). C'est ce qui définit l'élément.
- A (Nombre de Masse) = Nombre de nucléons, c'est-à-dire le total des protons et des neutrons.
- Dans un atome neutre, les charges s'annulent : Nombre d'électrons (e-) = Nombre de protons (p+).
Remarque Pédagogique
Ne confondez jamais A et Z ! L'erreur classique est de les mélanger. Z (le plus petit nombre, ici 26) est la 'carte d'identité' : 26 protons = c'est du Fer, point final. A (le plus grand nombre, ici 56) est son 'poids' nucléaire (protons + neutrons). A peut varier pour un même élément (ce sont les isotopes), mais Z jamais.
Normes
En chimie, la notation standardisée est \( {^A_Z}X \). Pour l'atome de fer spécifique de cet exercice, la notation complète serait \( {^{56}_{26}}\text{Fe} \). Cela vous donne A=56 et Z=26 d'un seul coup d'œil.
Formule(s)
Les formules à appliquer découlent directement des définitions vues dans le mini-cours :
Nombre de Protons
Nombre d'Électrons (atome neutre)
Nombre de Neutrons
Hypothèses
L'énoncé est clair : nous étudions un "atome de Fer". Par définition, un atome est électriquement neutre. Nous utilisons l'isotope particulier du fer où le nombre de masse A est 56 (le plus courant).
- L'atome est électriquement neutre.
- Nous utilisons l'isotope \( {^{56}}\text{Fe} \).
Donnée(s)
Nous extrayons les informations pour le Fer (Fe) du tableau de l'énoncé :
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Numéro Atomique | Z | 26 |
| Nombre de Masse | A | 56 |
Astuces
Pour aller vite et éviter les erreurs : Z (26) vous donne immédiatement le nombre de protons (26) ET le nombre d'électrons (26). Le seul "vrai" calcul à faire est celui des neutrons : c'est simplement la différence entre le "gros" nombre (A) et le "petit" (Z). Faites A - Z = 56 - 26 = 30.
Schéma (Avant les calculs)
On peut modéliser l'atome de Fer (Fe) avant le calcul : un noyau central contenant des particules (Z protons et N neutrons) et un "nuage" d'électrons (Z électrons) en orbite.
Modèle atomique du Fer \( {^{56}_{26}}\text{Fe} \)
Calcul(s)
Nous appliquons les formules, étape par étape, avec les données Z=26 et A=56.
Étape 1 : Nombre de Protons
Étape 2 : Nombre d'Électrons
Étape 3 : Nombre de Neutrons
Schéma (Après les calculs)
Maintenant que nous avons les résultats, nous pouvons remplir notre schéma avec la composition exacte du noyau et du nuage électronique.
Composition de l'atome de Fer
Réflexions
Ce résultat est parfaitement cohérent. Le noyau contient 26 charges positives (les protons) et le nuage électronique contient 26 charges négatives (les électrons). La charge totale de l'atome est donc (+26) + (-26) = 0. Les 30 neutrons, étant neutres, n'affectent pas la charge mais contribuent à la masse de l'atome.
Points de vigilance
Attention à ne pas inverser le calcul des neutrons ! Ne faites jamais Z - A. Le nombre de neutrons (30) est ici supérieur au nombre de protons (26). C'est très fréquent pour les atomes "lourds" (plus lourds que l'hélium), car les neutrons aident à stabiliser le noyau en empêchant les protons (qui se repoussent) d'éclater.
Points à retenir
Les trois formules à retenir de cette question sont :
- Protons = Z
- Électrons (atome) = Z
- Neutrons = A - Z
Le saviez-vous ?
Le fer (Z=26) est l'élément le plus lourd qui peut être créé par fusion dans le cœur des étoiles massives. Tous les éléments plus lourds (comme le cuivre, l'or, l'uranium) sont créés lors de l'explosion de ces étoiles (supernovae) !
FAQ
Il est normal d'avoir des questions. Voici une liste des interrogations les plus fréquentes pour cette étape, avec des réponses claires pour lever tous les doutes.
Résultat Final
A vous de jouer
En utilisant les données du tableau, combien y a-t-il de neutrons dans un atome de Cuivre (Cu) ? (A=64, Z=29)
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 1 :
- Concept Clé : Composition de l'atome neutre.
- Formules : \(N_{\text{protons}}=Z\), \(N_{\text{électrons}}=Z\), \(N_{\text{neutrons}}=A-Z\).
- Résultat Fe (Z=26, A=56) : 26 \(\text{p+}\), 26 \(\text{e-}\), 30 \(\text{n}\).
Question 2 : Donner la structure électronique (répartition K, L, M) d'un atome d'Aluminium (Al).
Principe
La structure électronique, c'est la "maison" des électrons. Il s'agit de "ranger" tous les électrons de l'atome d'Aluminium (dont on trouve le nombre total grâce à Z) dans des "chambres" successives appelées couches électroniques (K, L, M), en respectant scrupuleusement la capacité maximale de chaque couche.
Mini-Cours
Règles de remplissage (simplifiées niveau 3ème) :
Les électrons se placent sur des niveaux d'énergie (couches) en commençant par le plus proche du noyau.
- La couche K (la plus interne) : peut contenir au maximum 2 électrons.
- La couche L (la deuxième) : peut contenir au maximum 8 électrons.
- La couche M (la troisième) : peut contenir au maximum 18 électrons (mais pour les atomes jusqu'à Z=20, on la remplit jusqu'à 8 avant de commencer la couche N).
Remarque Pédagogique
Pour trouver la structure électronique, la seule information dont vous avez besoin est Z (le numéro atomique). Pourquoi ? Parce que pour un atome *neutre*, Z est égal au nombre d'électrons. Le nombre de masse (A) et le nombre de neutrons n'ont *aucun* impact sur la répartition des électrons.
Normes
La notation conventionnelle est d'écrire la structure entre parenthèses, en indiquant le nombre d'électrons en exposant pour chaque couche. Par exemple : \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^1 \).
Formule(s)
Nombre d'Électrons (atome neutre)
Hypothèses
On considère l'atome d'Aluminium (Al) électriquement neutre, comme demandé par la question ("atome d'Aluminium").
Donnée(s)
D'après le tableau de l'énoncé pour l'Aluminium (Al) :
| Paramètre | Symbole | Valeur |
|---|---|---|
| Numéro Atomique | Z | 13 |
Astuces
Pensez-y comme un "compte à rebours" ou un remplissage de seaux :
1. J'ai 13 électrons (Z=13) à placer.
2. Je remplis le "seau" K (max 2). Je mets 2 électrons. Il m'en reste 13 - 2 = 11.
3. Je remplis le "seau" L (max 8). Je mets 8 électrons. Il m'en reste 11 - 8 = 3.
4. Je mets les 3 derniers électrons dans le "seau" M.
Résultat : (K)2 (L)8 (M)3.
Schéma (Avant les calculs)
On modélise l'atome d'Aluminium (Z=13) avec son noyau (13 protons) et ses trois couches K, L, M prêtes à être remplies par 13 électrons.
Modèle de Bohr pour Al (Z=13)
Calcul(s)
Étape 1 : Nombre total d'électrons
Étape 2 : Remplissage des couches
Schéma (Après les calculs)
La structure électronique finale est (K)2 (L)8 (M)3. Les 3 électrons sur la couche M sont les électrons de la "couche externe", aussi appelés "électrons de valence".
Structure électronique de l'Aluminium
Réflexions
La structure \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \) est la clé pour comprendre la chimie de l'aluminium. Elle nous indique que l'atome a 3 électrons sur sa couche externe (la M). Cette couche n'est pas pleine (ni à 8, ni à 18), donc l'atome est instable. Il va chercher à perdre ces 3 électrons pour devenir stable (voir question 5).
Points de vigilance
L'erreur fatale est de ne pas respecter la capacité maximale des couches. Ne mettez jamais plus de 2 électrons sur K ou 8 sur L ! Une erreur commune pour Z=13 serait d'écrire (K)2 (L)11, ce qui est chimiquement incorrect. La couche L est "pleine" (saturée) avec 8 électrons.
Points à retenir
- Les couches se remplissent dans l'ordre : K (max 2), puis L (max 8), puis M.
- La structure de l'Aluminium (Z=13) est \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \).
Le saviez-vous ?
C'est la présence de ces "électrons externes" (aussi appelés électrons de valence) qui détermine la plupart des propriétés chimiques d'un élément. Pour les métaux, ces électrons sont peu liés à l'atome et peuvent se déplacer facilement, ce qui explique pourquoi les métaux sont de bons conducteurs d'électricité !
FAQ
...
Résultat Final
A vous de jouer
Quelle est la structure électronique de l'atome de Fer (Z=26) ? (K)2 (L)8... Combien d'électrons y a-t-il sur la couche M ? (Indice : mettez les 2 derniers sur N).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 2 :
- Concept Clé : Remplissage des couches K, L, M.
- Règles : K(2) , L(8) , M(...).
- Résultat Al (Z=13) : 13 \(\text{e-}\) \(\Rightarrow\) \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \).
Question 3 : Calculer la charge électrique totale, en Coulombs (C), du noyau d'un atome de Cuivre (Cu).
Principe
La charge électrique d'un noyau est la somme des charges de ses composants. Le noyau contient des protons (charge \(+e\)) et des neutrons (charge 0). La charge totale du noyau est donc simplement le nombre total de protons (Z) multiplié par la charge d'un seul proton (la charge élémentaire, \(e\)).
Mini-Cours
La charge d'un proton est appelée "charge élémentaire", notée \(e\). C'est la plus petite charge électrique indivisible qui existe (à l'état libre). Sa valeur est donnée dans l'énoncé : \(e \approx 1,602 \times 10^{-19}\) Coulombs (C).
Un noyau qui contient Z protons a donc une charge totale positive \(Q_{\text{noyau}} = Z \times e\).
Remarque Pédagogique
Attention au piège classique ! La question demande la charge du noyau, pas de l'atome. La charge de l'atome entier est toujours zéro (il est neutre, car les électrons \(-e\) annulent les protons \(+e\)). La charge du noyau, elle, est toujours positive et n'est jamais nulle (sauf pour l'hydrogène-1 sans électron).
Normes
L'unité de la charge électrique dans le Système International (SI) est le Coulomb, de symbole C. C'est l'unité que nous devons utiliser pour le résultat final.
Formule(s)
Nombre de Protons
Charge du Noyau
Hypothèses
On utilise la valeur de la charge élémentaire \(e\) fournie dans le tableau de données. On suppose que cette valeur est exacte pour notre calcul.
Donnée(s)
D'après le tableau de l'énoncé pour le Cuivre (Cu) :
| Paramètre | Symbole | Valeur | Unité |
|---|---|---|---|
| Numéro Atomique (Cu) | Z | 29 | (\(\text{sans unité}\)) |
| Charge élémentaire | e | \( 1,602 \times 10^{-19} \) | \(\text{C}\) |
Astuces
Pour multiplier les puissances de 10 avec votre calculatrice, ne tapez pas "x 1 0 ^ -19". Utilisez la touche dédiée "EXP", "EE" ou "x10^". La séquence de touches est : 29 * 1.602 EXP (-) 19. Cela évite les erreurs de parenthèses.
Schéma (Avant les calculs)
On se concentre uniquement sur le noyau de l'atome de Cuivre, qui contient Z protons (et des neutrons, mais ils sont sans charge).
Noyau de Cuivre (Z=29)
Calcul(s)
Étape 1 : Identifier Z et e
Étape 2 : Appliquer la formule
Étape 3 : Écriture scientifique (recommandée)
Schéma (Après les calculs)
Le noyau porte une charge positive. Sa valeur est infime mais c'est elle qui retient tout l'atome.
Charge du Noyau de Cuivre
Réflexions
Ce calcul montre que bien que la charge d'un proton soit incroyablement petite (\(10^{-19}\) C), la charge totale du noyau (ici avec 29 protons) est mesurable. C'est cette charge positive intense, concentrée dans le noyau, qui permet de retenir par attraction électrique les 29 électrons (négatifs) qui gravitent autour.
Points de vigilance
N'oubliez pas l'unité (Coulombs, C). Et faites très attention à la puissance de 10 : \(10^{-19}\) est un très, très petit nombre. Ne l'oubliez pas dans le calcul final et ne vous trompez pas dans son signe (c'est \(10^{-19}\), pas \(10^{19}\)).
Points à retenir
- La charge du noyau dépend *uniquement* des protons (Z).
- La formule est : \(Q_{\text{noyau}} = Z \times e\).
- La charge d'un atome est nulle, mais celle de son noyau est positive.
Le saviez-vous ?
Le Coulomb (C) est en fait une unité de charge *énorme* à notre échelle ! Un éclair peut transférer environ 15 Coulombs. Le nombre \(1,602 \times 10^{-19}\) C est si petit qu'il faut environ 6,24 milliards de milliards (6,24 x \(10^{18}\)) de protons pour faire une charge totale de 1 Coulomb !
FAQ
...
Résultat Final
A vous de jouer
En utilisant les données du tableau, calculez la charge du noyau d'un atome de Fer (Fe) (Z=26). Donnez votre réponse en \( \times 10^{-19} \text{ C} \) (arrondie à 3 décimales).
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 3 :
- Concept Clé : Charge du noyau.
- Formule : \(Q_{\text{noyau}} = Z \times e\).
- Résultat \(\text{Cu (Z=29)}\) : \( 29 \times (1,602 \times 10^{-19} \text{ C}) \approx 4,65 \times 10^{-18} \text{ C} \).
Question 4 : Le fer forme facilement l'ion Fer II, de formule \(Fe^{2+}\). Calculer le nombre d'électrons que possède cet ion.
Principe
Un ion n'est pas un atome neutre. La notation \(Fe^{2+}\) signifie "Ion Fer avec une charge électrique globale de +2". Puisque les protons (positifs) dans le noyau ne peuvent pas changer (sinon ce ne serait plus du Fer), cette charge positive ne peut provenir que d'une perte de charges négatives, c'est-à-dire une perte d'électrons.
Mini-Cours
Pour un ion positif (un cation) de charge \(n+\) :
Cela signifie que l'atome neutre de départ a perdu \(n\) électrons.
Le nombre de protons (Z) reste inchangé.
Le nombre de neutrons (A-Z) reste inchangé.
Seul le nombre d'électrons est modifié.
Remarque Pédagogique
Ne tombez pas dans le piège ! \(2+\) ne veut pas dire "ajouter 2 électrons". Pensez aux charges : les électrons sont négatifs (\(-\)). Pour qu'un objet neutre devienne positif (\(2+\)), il doit perdre 2 charges négatives.
Normes
La charge de l'ion est toujours écrite en exposant à droite du symbole chimique (ex: \(Fe^{2+}\), \(Al^{3+}\), \(Cl^{-}\)). Un ion positif est un cation, un ion négatif est un anion.
Formule(s)
Nombre d'Électrons (atome neutre)
Nombre d'Électrons (Cation \(X^{n+}\))
Hypothèses
Nous partons de l'atome de Fer neutre (traité en Q1) pour former l'ion \(Fe^{2+}\) par perte d'électrons. Le noyau (Z=26) n'est pas modifié.
Donnée(s)
D'après l'énoncé et le tableau (ou la Q1) :
| Paramètre | Symbole / Valeur |
|---|---|
| Numéro Atomique (Fer) | Z = 26 |
| Charge de l'ion | n = 2 (car \(2+\)) |
Astuces
Toujours faire la "vérification de l'épicier" pour être sûr :
L'ion \(Fe^{2+}\) a Z=26 protons \(\Rightarrow\) Charge de +26.
Il a (résultat du calcul) 24 électrons \(\Rightarrow\) Charge de -24.
Bilan total des charges : (+26) + (-24) = +2.
La charge est bien 2+, le calcul est correct.
Schéma (Avant les calculs)
Le processus est une transformation : l'atome de Fer (neutre) perd 2 électrons de sa couche externe pour devenir un ion Fer II (chargé positivement).
Formation de l'ion Fer II
Calcul(s)
Étape 1 : Nombre d'électrons de l'atome de Fer (Fe) neutre
Étape 2 : Calcul des électrons de l'ion \(Fe^{2+}\) (charge n=2)
Schéma (Après les calculs)
Le résultat de notre calcul (24 électrons) est cohérent avec la charge +2 de l'ion.
Composition de l'ion Fer II
Réflexions
L'ion \(Fe^{2+}\) a 26 protons mais seulement 24 électrons. Il y a un déficit de 2 charges négatives, ce qui lui donne bien une charge globale de 2+. Notez que le nombre de neutrons (30, calculé en Q1) n'a pas changé, il n'est juste pas pertinent pour calculer la charge ou le nombre d'électrons.
Points de vigilance
Le piège est d'additionner. Si vous aviez fait 26 + 2 = 28, vous auriez calculé la composition d'un ion \(Fe^{2-}\) (un anion), qui n'existe pas pour le fer. Rappelez-vous : charge positive = Perte d'électrons.
Points à retenir
- Un ion est un atome qui a perdu (cation, \(+\)) ou gagné (anion, \(-\)) des électrons.
- Les métaux forment des cations (ils perdent des électrons).
- \(Fe^{2+}\) a 2 électrons de MOINS que l'atome Fe.
Le saviez-vous ?
Le fer peut aussi former l'ion Fer III, \(Fe^{3+}\), qui a donc perdu 3 électrons (il lui en reste 23). C'est cet ion \(Fe^{3+}\) qui est principalement responsable de la couleur de la rouille (oxyde de fer III).
FAQ
...
Résultat Final
A vous de jouer
En utilisant les données du tableau (Z=29 pour Cu), combien d'électrons possède l'ion Cuivre II (\(Cu^{2+}\)) ?
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 4 :
- Concept Clé : Formation d'un cation (ion positif).
- Formule : \(N_{e-\text{ (ion)}} = Z - \text{charge}\).
- Résultat \(Fe^{2+}\) \(\text{(Z=26)}\) : \(26 - 2 = 24 \text{ e-}\).
Question 5 : Expliquer pourquoi l'atome d'Aluminium forme l'ion \(Al^{3+}\) et donner la structure électronique de cet ion.
Principe
Cette question est une synthèse. Les atomes 'veulent' être chimiquement stables. Pour les éléments simples, la stabilité ressemble à celle des "gaz nobles" (comme le Néon, Z=10) qui ont leur couche électronique externe pleine (2 électrons sur K, ou 8 électrons sur L ou M). On doit regarder la structure de l'Aluminium (trouvée en Q2) et deviner ce qui est le plus 'facile' pour lui : gagner des électrons ou en perdre pour atteindre cette stabilité.
Mini-Cours
Règle de l'Octet (simplifiée) :
Lors des réactions chimiques, les atomes ayant une couche externe non pleine ont tendance à perdre ou gagner des électrons pour obtenir une couche externe pleine (généralement 8 électrons, d'où "octet", ou 2 pour la couche K, "duet").
Les métaux (comme Al) qui ont peu d'électrons sur leur couche externe (typiquement 1, 2 ou 3) préfèrent toujours les perdre.
Remarque Pédagogique
Regardons la structure de l'Aluminium trouvée à la Q2 : \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \).
L'atome a 3 électrons sur sa couche externe (M). Pour être stable (avoir une couche externe pleine), il a deux choix :
1. Gagner 5 électrons pour remplir la couche M (passer de 3 à 8). C'est énergétiquement très difficile.
2. Perdre ses 3 électrons de la couche M. C'est énergétiquement facile.
S'il perd ces 3 électrons, la couche M devient vide et sa *nouvelle* couche externe devient la L, qui est pleine (8 électrons). C'est la solution que l'atome choisit.
Normes
Un atome (neutre) qui perd 3 électrons (charge \(-e\)) se retrouve avec un excédent de 3 protons. Sa charge devient \(+3\). On le note \(Al^{3+}\).
Formule(s)
Structure de l'atome Al (Z=13)
Réaction de formation de l'ion
Hypothèses
On applique la "règle de l'octet" (ou de stabilité) pour prédire l'ion le plus stable que l'Aluminium peut former.
Donnée(s)
De la Question 2, nous savons que l'atome d'Aluminium (Z=13) a 13 électrons, répartis en \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \).
Astuces
Pour les métaux des premières colonnes, c'est simple : le nombre d'électrons sur la couche externe (ici, 3 pour l'Aluminium) vous donne presque toujours la charge de l'ion que le métal va former (ici, \(3+\)).
Schéma (Avant les calculs)
L'atome d'Aluminium, instable avec ses 3 électrons externes, va les éjecter pour devenir un ion \(Al^{3+}\) stable.
Stabilité de l'Aluminium
Calcul(s)
Étape 1 : Raisonnement (Stabilité)
L'atome Al \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \) possède 3 électrons sur sa couche externe M. Pour obéir à la règle de l'octet (avoir 8 électrons externes), il doit perdre ces 3 électrons. Il obtient ainsi la structure stable (K)2 (L)8, où la couche L (pleine) devient la couche externe.
Étape 2 : Formation de l'ion
L'atome Al a Z=13 protons (charge +13). En perdant 3 électrons (charge totale -3), sa charge globale devient (+13) + (-10) = +3. Il forme bien l'ion \(Al^{3+}\).
Étape 3 : Structure électronique de l'ion \(Al^{3+}\)
Étape 4 : Répartition des 10 électrons de l'ion
Schéma (Après les calculs)
L'ion \(Al^{3+}\) n'a plus d'électrons sur la couche M. Il a 10 électrons au total, avec une couche externe L pleine, ce qui le rend très stable (comme le Néon).
Structure de l'ion Al³⁺
Réflexions
L'atome d'Aluminium (instable) forme l'ion \(Al^{3+}\) (stable) car c'est le moyen le plus simple pour lui d'obéir à la règle de l'octet. Il atteint la structure électronique stable \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 \), qui est identique à celle du gaz noble Néon (Z=10).
Points de vigilance
N'écrivez pas que la structure de l'ion est (K)2 (L)8 (M)3. C'est la structure de l'ATOME. La question demande la structure de l'ION, qui est \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 \) après avoir perdu les 3 électrons de la couche M. La couche M est désormais vide.
Points à retenir
- Les atomes cherchent la stabilité (Règle de l'Octet).
- Al (Z=13) a 3 électrons externes : \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \).
- Il les perd, formant l'ion \(Al^{3+}\).
- L'ion \(Al^{3+}\) a 10 électrons, structure \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 \).
Le saviez-vous ?
La légèreté de l'aluminium (due à son petit noyau, A=27) combinée à sa tendance à former une couche d'oxyde (\(Al_2O_3\)) très fine et protectrice (grâce à sa réactivité, il perd ses 3 électrons à l'air) le rend résistant à la corrosion. C'est cette combinaison qui le rend parfait pour les avions et les canettes.
FAQ
...
Résultat Final
A vous de jouer
Le Zinc (Zn, Z=30) a une structure \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^{18} (\text{N})^2 \). Pour devenir stable (en vidant sa couche externe N), combien d'électrons va-t-il perdre ?
Mini Fiche Mémo
Synthèse de la Question 5 :
- Concept Clé : Règle de l'octet (stabilité).
- Raisonnement : Al \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 (\text{M})^3 \) perd 3 e- pour vider sa couche M.
- Résultat : Ion \(Al^{3+}\), structure \( (\text{K})^2 (\text{L})^8 \) (stable).
Outil Interactif : Simulateur de Composition
Utilisez les curseurs pour choisir un Numéro Atomique (Z) et un Nombre de Masse (A). Le simulateur calculera la composition du noyau et la structure électronique de l'atome neutre correspondant.
Paramètres d'Entrée
Résultats (Atome Neutre)
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Quelle propriété principale du Cuivre (Cu) le rend idéal pour les câbles électriques ?
2. Un atome de Fer (Z=26, A=56) et un atome d'Aluminium (Z=13, A=27) ont...
3. Un atome de Cuivre (Z=29) perd 2 électrons. Il se transforme en :
4. Un atome possède Z=13 et A=27. Combien de neutrons contient-il ?
5. Quelle est la structure électronique de l'ion stable \(Al^{3+}\) (formé à partir de Z=13) ?
Glossaire
- Atome
- La plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est composé d'un noyau (protons et neutrons) et d'électrons.
- Ion
- Un atome ou un groupe d'atomes qui a gagné (anion, négatif) ou perdu (cation, positif) un ou plusieurs électrons.
- Numéro Atomique (Z)
- Représente le nombre de protons dans le noyau d'un atome. C'est ce qui définit un élément chimique (ex: Z=26 est toujours le Fer).
- Nombre de Masse (A)
- Représente le nombre total de particules dans le noyau (protons + neutrons). \( A = Z + N \).
- Structure Électronique
- La répartition des électrons d'un atome sur les différentes couches d'énergie (K, L, M...).
- Règle de l'Octet
- Tendance des atomes à chercher la stabilité en acquérant la structure électronique du gaz noble le plus proche, souvent en ayant 8 électrons sur leur couche externe.
D’autres exercices de chimie 3 ème :
Laisser un commentaire