Activité n°2 : Déterminer la charge des ions monoatomiques - [Chapitre : Stabilité des édifices

Titre de l'activité : Activité n°2 : Déterminer la charge des ions monoatomiques - [Chapitre : Stabilité des édifices - Formation des ions]

Durée : 30 min

Compétences

RCO - Restituer des connaissances
APP - Mobiliser les connaissances en rapport avec le problème
APP - Connaître le vocabulaire, les symboles et les unités mise en œuvre
ANA - Exploiter ses connaissances, les informations extraites ou les résultats obtenus

Notions

Exploiter la structure électronique en fonction des nombres quantiques n et l pour retrouver le classement dans le tableau périodique des éléments et identifier la famille.
Dénombrer les électrons de la couche externe pour des cas simples.
Utiliser la classification périodique des éléments pour retrouver la charge des ions monoatomiques usuels.

Problématique

Certains ions sont positifs, comme l'ion calcium \(\mathrm{Ca^{2+}}\), l'ion sodium \(\mathrm{Na^+}\), alors que d'autres sont négatifs, comme l'ion chlorure \(\mathrm{C\ell}^{-}\). Certains portent une charge positive, d'autres deux. Mais d'autres encore portent une ou deux charges négatives, voire plus !

Comment expliquer la charge portée par ces ions monoatomiques ?

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Complément : Document n°1 - Trois éléments chimiques et leurs ions monoatomiques

Ce tableau permet de déterminer les ions monoatomiques issus de trois atomes différents.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Structure électronique de l'atome	\(\mathrm{1s^2 2s^1}\)
Formule de l'ion monoatomique stable			\(\mathrm{A\ell^{3+}}\)
Structure électronique de l'ion stable	\(\mathrm{1s^2}\)
Ion isoélectronique^[*] du gaz noble :		\(\mathrm{Ne}\)

Complément : Document n°2 - Les ions monoatomiques à connaître !

Dans le tableau périodique, les lignes portent le nom de période et les colonnes le nom de groupe.

Comme les groupes 3 à 12 n'apparaissent qu'à la 4^ème période, on peut utiliser une représentation condensée du tableau pour étudier les trois premières périodes.

Complément : Document n°3 - Les ions monoatomiques à connaître !

Expérimentalement, on peut mettre en évidence dans des solutions ioniques de nombreux ions comme :

l'ion hydrogène \(\mathrm{H^+}\), l'ion sodium \(\mathrm{Na^+}\), l'ion potassium \(\mathrm{K^+}\), l'ion calcium \(\mathrm{Ca^{2+}}\), l'ion magnésium \(\mathrm{Mg^{2+}}\);
mais aussi l'ion fluorure \(\mathrm{F^-}\) et l'ion chlorure \(\mathrm{C\ell}^{-}\).

Définition : Ions

Un ion est un atome qui a échangé des électrons avec son environnement. Alors que l'atome est toujours neutre, l'ion possède obligatoirement une charge électrique indiquée en exposant du symbole de l'élément chimique. Ainsi en fonction du nombre d'électrons de valence possédé par l'atome il va devenir :

un ion positif, ou cation, en perdant un ou plusieurs électrons

un ion négatif, ou anion, en gagnant un ou plusieurs électrons.

Un ion est dit monoatomique s'il provient d'un atome unique (comme il est question dans cette activité).

Un ion est dit polyatomique s'il provient d'un groupe d'atome, comme une molécule : par exemple l'ion sulfate \(\mathrm{SO_{4}^{2-}}\).

Complément : Bonus - L'Hélium (inutile pour les questions, mais utile pour la culture générale)

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Question⚓

Q1. [Doc.1] Compléter la ligne 3 du tableau pour les trois atomes.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Structure électronique de l'atome	\(\mathrm{1s^2 2s^1}\)

Solution ⚓

Act.2-Q1.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Structure électronique de l'atome	\(\mathrm{1s^2 2s^1}\)	\(\mathbf{\mathrm{1s^2 2s^2 2p^5}}\)	\(\mathbf{\mathrm{1s^2 2s^2 2p^6 3s^2 3p^1}}\)

Question⚓

Q2. [Doc.1 et 2] Pour l'atome de lithium \(\mathrm{Li}\), déduire la formule de l'ion formé de la structure électronique de l'ion proposé (Doc.1 ligne 5).

Solution ⚓

Act.2-Q2.

En comparant la configuration électronique de l'atome de lithium avec celle de l'ion monoatomique stable du lithium (proposée à la ligne 5 du tableau), on peut en déduire que l'atome de lithium perd un électron pour donner l'ion monoatomique \(\mathrm{{Li}^+}\).

Question⚓

Q3. [Doc.1 et 2] Retrouver avec le tableau périodique^[*] le gaz noble dont cet ion est isoélectronique^[*].

Solution ⚓

Act.2-Q3.

Cet ion est ainsi isoélectronique^[*] de l'atome d'hélium.

Question⚓

Q4. [Doc.1 et 2] Compléter la ligne 6 du tableau du document 1 reproduite ci-dessous.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Ion isoélectronique^[*] du gaz noble :		\(\mathrm{Ne}\)

Solution ⚓

Act.2-Q4.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Ion isoélectronique^[*] du gaz noble :	\(\mathrm{He}\)	\(\mathrm{Ne}\)	\(\mathrm{Ne}\)

Question⚓

Q5. [Doc.1] Compléter le reste du tableau en justifiant vos réponses.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Formule de l'ion monoatomique stable			\(\mathrm{A\ell^{3+}}\)
Structure électronique de l'ion stable	\(\mathrm{1s^2}\)

Solution ⚓

Act.2-Q5.

Élément chimique	\(\mathrm{{Li}}\)	\(\mathrm{{F}}\)	\(\mathrm{{A\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	3	9	13
Formule de l'ion monoatomique stable	\(\mathrm{Li^+}\)	\(\mathrm{F^-}\)	\(\mathrm{A\ell^{3+}}\)
Structure électronique de l'ion stable	\(\mathrm{1s^2}\)	\(\mathrm{1s^2 2s^2 2p^6}\)	\(\mathrm{1s^2 2s^2 2p^6}\)

Pour l'atome de fluor \(\mathrm{{F}}\), la dernière ligne du tableau indique que l'ion monoatomique stable issu de cet atome est isoélectronique^[*] de l'atome de néon \(\mathrm{{Ne}}\). On peut établir la configuration de l'atome de néon : \(\mathrm{1s^2 2s^2 2p^6}\). En comparant cette dernière avec celle du fluor \(\mathrm{\left ( 1s^2 \; 2s^2 2p^5 \right )}\), on en déduit que l'atome de fluor gagne un électron pour donner un ion monoatomique \(\mathrm{F^-}\).

Pour l'atome d'aluminium, la formule de l'ion monoatomique stable indique que l'atome a perdu trois électrons. Sa configuration électronique est donc : \(\mathrm{1s^2 2s^2 2p^6}\).

Question⚓

Q6. [Doc.1 et 3] Justifier les formules des ions monoatomiques du Doc.2 (sauf \(\mathrm{{F^-}}\) qui a déjà été fait) en reprenant la méthodologie proposée dans le tableau du Doc.1. On utilisera les tableaux ci-dessous.

Élément chimique	\(\mathrm{{H}}\)	\(\mathrm{{Na}}\)	\(\mathrm{{K}}\)
\(\mathbf{Z}\)	1	11	19
Structure électronique de l'atome
Formule de l'ion monoatomique stable	\(\mathrm{{H^+}}\)
Structure électronique de l'ion stable
Ion isoélectronique^[*] du gaz noble :	Aucun

L'ion hydrogène \(\mathrm{{H^+}}\) est donc une exception parmi les ions proposés, mais son existence et sa formule sont à connaître.

Élément chimique	\(\mathrm{{Ca}}\)	\(\mathrm{{Mg}}\)	\(\mathrm{{C\ell}}\)
\(\mathbf{Z}\)	20	12	17
Structure électronique de l'atome
Formule de l'ion monoatomique stable
Structure électronique de l'ion stable
Ion isoélectronique^[*] du gaz noble :

Rappel : Synthèse de l'activité

Proposer l'énoncé d'une règle qui permettrait de déduire simplement la structure électronique des ions monoatomiques.

Problématique

Complément : Document n°1 - Trois éléments chimiques et leurs ions monoatomiques

Complément : Document n°2 - Les ions monoatomiques à connaître !

Complément : Document n°3 - Les ions monoatomiques à connaître !

Définition : Ions

Complément : Bonus - L'Hélium (inutile pour les questions, mais utile pour la culture générale)

Question⚓

Solution⚓

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Rappel : Synthèse de l'activité

Solution ⚓

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