Constitution de la matière : atomes, ions, molécules
Décrire un atome par son symbole et sa composition (protons, neutrons, électrons). Utiliser le symbole conventionnel ᴬZX. Appliquer la règle de l'octet et du duet pour expliquer la formation des ions monoatomiques. Représenter une molécule simple par sa formule développée ou semi-développée. Mobiliser sur l'eau, le dioxygène, les engrais et les molécules organiques de base.
- →Décrire un atome (noyau + nuage électronique)
- →Utiliser le symbole ᴬZX (A nombre de masse, Z numéro atomique)
- →Comprendre l'origine des ions monoatomiques par la règle de l'octet
- →Reconnaître une molécule simple à partir de sa formule
- →Écrire une formule développée et semi-développée
- →Distinguer molécules organiques et molécules inorganiques
01L'atome : structure et symbole
Atome.Un atome est un assemblage électriquement neutre, formé d'un noyau central (contenant des protons chargés positivement et des neutrons sans charge) entouré d'un nuage d'électronsparticules négatives. Réponse : électrons chargés négativement. Il y a autant de protons que d'électrons → charge globale nulle0. Réponse : nulle.
Un noyau atomique est noté ᴬZX, où X est le symbole de l'élément, Z est le numéro atomique (nombre de protons), A est le nombre de masse (protons + neutrons). Exemples : ⁶₃Li (3 protons, 3 neutrons), ¹⁶₈O (8 protons, 8 neutrons), ¹⁴₇N (7 protons, 7 neutrons).
| Élément | Symbole | Z (protons) | Présence agricole |
|---|---|---|---|
| Hydrogène | H | 1 | Tous les vivants (eau, sucres, protéines) |
| Carbone | C | 6à mémoriser. Réponse : 6 | Squelette des molécules organiques |
| Azote | N | 7 | Engrais (nitrates), protéines |
| Oxygène | O | 8 | Eau, atmosphère, oxydation |
| Sodium | Na | 11 | Sel de cuisine, eau de mer |
| Magnésium | Mg | 12 | Chlorophylle, oligo-élément |
| Fer | Fe | 26Réponse : 26 | Outils, hémoglobine, sols |
Clique sur un élément pour voir son symbole, sa configuration électronique et l'ion stable qu'il forme. Repère les familles (alcalins, halogènes, gaz nobles) à leurs couleurs.
L'ordre de grandeur d'un atome est très petit : son rayon vaut environ 10⁻¹⁰ m, soit un dix-milliardième de mètre. Le noyau est encore 100 000 fois plus petit que l'atome. La matière est donc essentiellement constituée de vide.
02De l'atome à l'ion : règle de l'octet et du duet
Pour être stable, un atome cherche à avoir le même nombre d'électrons que le gaz noble le plus proche : 2 électrons sur sa couche externe pour les atomes proches de l'hélium (règle du duetRéponse : duet), 8 électrons pour les autres (règle de l'octetRéponse : octet). Pour atteindre cette configuration, l'atome cède ou capte des électrons → il devient un ion.
| Atome | Configuration | Action | Ion formé |
|---|---|---|---|
| Sodium Na | 2 | 8 | 1 | cède 1 électronpour avoir 8 électrons externes. Réponse : cède 1 électron | Na⁺ |
| Magnésium Mg | 2 | 8 | 2 | cède 2 électrons | Mg²⁺ |
| Calcium Ca | 2 | 8 | 8 | 2 | cède 2 électrons | Ca²⁺Réponse : Ca²⁺ |
| Chlore Cl | 2 | 8 | 7 | capte 1 électron | Cl⁻ |
| Oxygène O | 2 | 6 | capte 2 électrons | O²⁻ |
| Aluminium Al | 2 | 8 | 3 | cède 3 électrons | Al³⁺ |
- 1Repérer la configuration électronique externe de l'atome (nombre d'électrons sur la couche externe).
- 2Si l'atome a peu d'électrons externes (1, 2 ou 3), il les cède → il forme un cation (ion positif).
- 3Si l'atome a beaucoup d'électrons externes (5, 6 ou 7), il en capte jusqu'à 8 → il forme un anion (ion négatif).
- 4La charge de l'ion = (nombre d'électrons cédés) en + ou (nombre captés) en −.
- 5Vérifier que la charge totale fait sens : Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Al³⁺, O²⁻, Cl⁻, F⁻, S²⁻.
03Molécules et formules
Molécule.Une molécule est un assemblage électriquement neutre d'atomesliés ensemble. Réponse : atomes liés par des liaisons covalentes. Exemples : H₂O (2 atomes d'hydrogène + 1 d'oxygène), CO₂ (1 C + 2 O), CH₄ (méthane), N₂ (diazote de l'air), glucose C₆H₁₂O₆.
Formule développée et semi-développée.La formule brute donne juste le décompte des atomes (CH₄). La formule développée représente tous les atomes et toutes les liaisons. La formule semi-développée regroupe les atomes d'hydrogène autour de chaque atome de carbone (ex : CH₃-CH₂-OH pour l'éthanol).
| Nom | Formule brute | Présence en NJPF |
|---|---|---|
| Eau | H₂O | Sève, sol, irrigation |
| Dioxygène | O₂Réponse : O₂ | Atmosphère, respiration |
| Dioxyde de carbone | CO₂ | Photosynthèse, méthanisation |
| Méthane | CH₄ | Méthaniseurs, gaz naturel, fermentation anaérobie |
| Ammoniaque | NH₃ | Engrais azotés, déjections animales |
| Glucose | C₆H₁₂O₆ | Sève sucrée, photosynthèse |
| Éthanol | C₂H₆O | Fermentation alcoolique, biocarburant |
Les molécules organiques contiennent du carbone et de l'hydrogène (alcanes, sucres, alcools, lipides, protéines — toute la chimie du vivant). Les molécules inorganiques ou minérales en sont dépourvues (H₂O, NH₃, CO₂, sels). Les engrais combinent les deux : l'urée CO(NH₂)₂ contient des liaisons C-N et est à la frontière des deux familles.
Exercices
Exercice 1— Lire le symbole ᴬZXOuvrir
Pour chacun des noyaux suivants, indiquer le nombre de protons, de neutrons et le nom de l'élément : (a) ²³₁₁Na, (b) ¹⁶₈O, (c) ⁴⁰₂₀Ca, (d) ⁵⁶₂₆Fe.
✓ Correction
- (a) 11 protons, 23 − 11 = 12 neutrons. Élément : sodium.
- (b) 8 protons, 8 neutrons. Élément : oxygène.
- (c) 20 protons, 20 neutrons. Élément : calcium.
- (d) 26 protons, 30 neutrons. Élément : fer.
Exercice 2— Prédire la charge d'un ionOuvrir
Pour chacun des atomes suivants, indiquer si l'ion formé est positif ou négatif, et la valeur de la charge : (a) magnésium (configuration 2|8|2), (b) soufre (configuration 2|8|6), (c) potassium (configuration 2|8|8|1), (d) fluor (configuration 2|7).
💡 Indice
Compter les électrons à céder (jusqu'à 0 électrons externes) ou à capter (jusqu'à 8) pour respecter l'octet.
✓ Correction
- (a) Mg cède 2 électrons → Mg²⁺ (cation).
- (b) S capte 2 électrons → S²⁻ (anion).
- (c) K cède 1 électron → K⁺ (cation).
- (d) F capte 1 électron → F⁻ (anion).
Exercice 3— Modéliser le glucose (problème ouvert)Ouvrir
Le glucose, produit final de la photosynthèse, a pour formule brute C₆H₁₂O₆. (a) Combien d'atomes au total dans une molécule ? Combien d'éléments différents ? (b) Sachant que le carbone forme 4 liaisons covalentes, l'hydrogène 1 et l'oxygène 2, vérifier que la formule est compatible avec les règles de l'octet et du duet (compter le nombre de liaisons théoriquement formées). (c) Pourquoi appelle-t-on le glucose une molécule « organique » ?
💡 Indice
Pour (b), additionner toutes les liaisons formées (chaque atome × son nombre de liaisons) et diviser par 2 (chaque liaison relie 2 atomes).
✓ Correction
(a) 6 + 12 + 6 = 24 atomes au total. 3 éléments différents : C, H, O.
(b) Total des liaisons : 6 × 4 (C) + 12 × 1 (H) + 6 × 2 (O) = 24 + 12 + 12 = 48 liaisons en demi-liaisons, soit 24 liaisons covalentes. Compatible avec une structure cyclique fermée (hexose). Tout est cohérent avec la règle de l'octet.
(c) Le glucose contient à la fois du carbone et de l'hydrogène (avec en plus de l'oxygène). C'est le critère définissant les molécules « organiques » — issues historiquement de la chimie du vivant. Toutes les molécules biologiques (sucres, lipides, protéines, ADN) sont organiques.