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Exercices Électricité

Structure de l’Atome et Charge Électrique

Structure de l’Atome et Charge Électrique

Structure de l’Atome et Charge Électrique

Comprendre la Structure Atomique et la Charge Électrique

Toute matière est constituée d'atomes, qui sont eux-mêmes composés de particules subatomiques : les protons, les neutrons et les électrons. Les protons et les neutrons forment le noyau central de l'atome, tandis que les électrons orbitent autour du noyau. Les protons portent une charge électrique positive élémentaire (\(+e\)), les électrons portent une charge électrique négative élémentaire (\(-e\)), et les neutrons sont électriquement neutres. La charge totale d'un atome ou d'un ion dépend du nombre de protons et d'électrons qu'il contient. Un atome neutre possède un nombre égal de protons et d'électrons, ce qui rend sa charge nette nulle. Un ion est un atome qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, acquérant ainsi une charge nette non nulle.

Données de l'étude

On considère l'atome de Béryllium (Be). Son numéro atomique est \(Z=4\) et son nombre de masse le plus courant est \(A=9\).

Constante :

  • Charge élémentaire : \(e \approx 1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\)
Schéma : Modèle Simplifié de l'Atome de Béryllium
{/* Noyau */} {/* Protons (exemple, pas à l'échelle exacte) */} P P P P {/* Neutrons (exemple) */} N N {/* Orbites et électrons */} e⁻ e⁻ e⁻ e⁻ Modèle de l'atome de Béryllium (Be)

Modèle simplifié de l'atome de Béryllium (\(^{9}_{4}\text{Be}\)) montrant le noyau (protons et neutrons) et les électrons sur des orbites.

Questions à traiter

  1. Déterminer le nombre de protons, de neutrons et d'électrons dans un atome de Béryllium neutre (\(^{9}_{4}\text{Be}\)).
  2. Calculer la charge totale (en Coulombs) du noyau d'un atome de Béryllium.
  3. Calculer la charge totale (en Coulombs) du nuage électronique d'un atome de Béryllium neutre.
  4. Quelle est la charge nette d'un atome de Béryllium neutre ? Expliquer pourquoi.
  5. Si l'atome de Béryllium perd deux électrons pour former un ion Be\(^{2+}\), combien d'électrons cet ion possède-t-il ?
  6. Calculer la charge nette de l'ion Be\(^{2+}\) en Coulombs.
  7. Si un objet macroscopique est constitué de \(N = 5,0 \times 10^{12}\) ions Be\(^{2+}\), quelle est la charge totale de cet objet ?

Correction : Structure de l’Atome et Charge Électrique

Question 1 : Nombre de protons, neutrons et électrons dans \(^{9}_{4}\text{Be}\) neutre

Principe :

Pour un atome représenté par \(^{A}_{Z}\text{X}\), \(Z\) est le numéro atomique (nombre de protons) et \(A\) est le nombre de masse (nombre de protons + nombre de neutrons). Dans un atome neutre, le nombre d'électrons est égal au nombre de protons.

Données spécifiques :
  • Numéro atomique \(Z = 4\)
  • Nombre de masse \(A = 9\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Nombre de protons} &= Z \\ &= 4 \\ \text{Nombre de neutrons} &= A - Z \\ &= 9 - 4 \\ &= 5 \\ \text{Nombre d'électrons (atome neutre)} &= \text{Nombre de protons} \\ &= 4 \end{aligned} \]
Résultat Question 1 : L'atome de Béryllium neutre possède 4 protons, 5 neutrons et 4 électrons.

Question 2 : Charge totale du noyau de Béryllium

Principe :

Le noyau contient des protons (charge \(+e\)) et des neutrons (charge nulle). La charge totale du noyau est donc le nombre de protons multiplié par la charge élémentaire \(e\).

Données spécifiques :
  • Nombre de protons = 4
  • Charge élémentaire \(e \approx 1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{noyau}} &= (\text{Nombre de protons}) \times e \\ &= 4 \times (1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= 6,408 \times 10^{-19} \, \text{C} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : La charge totale du noyau de Béryllium est \(+6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}\).

Question 3 : Charge totale du nuage électronique (atome neutre)

Principe :

Le nuage électronique contient les électrons, chacun ayant une charge \(-e\). La charge totale est le nombre d'électrons multiplié par \(-e\).

Données spécifiques :
  • Nombre d'électrons (atome neutre) = 4
  • Charge élémentaire \(e \approx 1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{électrons}} &= (\text{Nombre d'électrons}) \times (-e) \\ &= 4 \times (-1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= -6,408 \times 10^{-19} \, \text{C} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : La charge totale du nuage électronique d'un atome de Béryllium neutre est \(-6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Laquelle de ces particules subatomiques a une charge négative ?

Question 4 : Charge nette d'un atome de Béryllium neutre

Principe :

La charge nette d'un atome est la somme de la charge du noyau et de la charge du nuage électronique.

Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{nette}} &= Q_{\text{noyau}} + Q_{\text{électrons}} \\ &= (+6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}) + (-6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= 0 \, \text{C} \end{aligned} \]

Un atome neutre a une charge nette nulle car il possède autant de protons (charges positives) que d'électrons (charges négatives), et leurs charges se compensent exactement.

Résultat Question 4 : La charge nette d'un atome de Béryllium neutre est \(0 \, \text{C}\).

Question 5 : Nombre d'électrons dans l'ion Be\(^{2+}\)

Principe :

Un ion Be\(^{2+}\) signifie que l'atome de Béryllium a perdu 2 électrons.

Données spécifiques :
  • Nombre d'électrons dans Be neutre = 4
  • Nombre d'électrons perdus = 2
Calcul :
\[ \begin{aligned} \text{Nombre d'électrons dans Be}^{2+} &= \text{Nombre d'électrons (neutre)} - \text{Électrons perdus} \\ &= 4 - 2 \\ &= 2 \end{aligned} \]
Résultat Question 5 : L'ion Be\(^{2+}\) possède 2 électrons.

Question 6 : Charge nette de l'ion Be\(^{2+}\)

Principe :

La charge nette de l'ion est la somme de la charge du noyau (qui ne change pas) et de la charge du nouveau nuage électronique.

Données spécifiques :
  • Charge du noyau \(Q_{\text{noyau}} = +6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}\)
  • Nombre d'électrons dans Be\(^{2+}\) = 2
Calcul :

Charge du nuage électronique de Be\(^{2+}\) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{électrons, ion}} &= 2 \times (-e) \\ &= 2 \times (-1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= -3,204 \times 10^{-19} \, \text{C} \end{aligned} \]

Charge nette de l'ion Be\(^{2+}\) :

\[ \begin{aligned} Q_{\text{ion}} &= Q_{\text{noyau}} + Q_{\text{électrons, ion}} \\ &= (+6,408 \times 10^{-19} \, \text{C}) + (-3,204 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= +3,204 \times 10^{-19} \, \text{C} \end{aligned} \]

Alternativement, puisque l'ion a une charge de \(+2e\) :

\[ Q_{\text{ion}} = +2e = 2 \times (1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}) = +3,204 \times 10^{-19} \, \text{C} \]
Résultat Question 6 : La charge nette de l'ion Be\(^{2+}\) est \(+3,204 \times 10^{-19} \, \text{C}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Un atome qui gagne un électron devient :

Question 7 : Charge totale d'un objet constitué de \(N\) ions Be\(^{2+}\)

Principe :

La charge totale de l'objet est le nombre d'ions multiplié par la charge nette de chaque ion.

Données spécifiques :
  • Nombre d'ions \(N = 5,0 \times 10^{12}\)
  • Charge d'un ion Be\(^{2+}\), \(Q_{\text{ion}} = +3,204 \times 10^{-19} \, \text{C}\)
Calcul :
\[ \begin{aligned} Q_{\text{objet}} &= N \times Q_{\text{ion}} \\ &= (5,0 \times 10^{12}) \times (3,204 \times 10^{-19} \, \text{C}) \\ &= 16,02 \times 10^{12-19} \, \text{C} \\ &= 16,02 \times 10^{-7} \, \text{C} \\ &= 1,602 \times 10^{-6} \, \text{C} \\ &= 1,602 \, \mu\text{C} \end{aligned} \]
Résultat Question 7 : La charge totale de l'objet est \(+1,602 \, \mu\text{C}\).

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

1. Le noyau d'un atome contient :

2. Un atome est électriquement neutre parce que :

3. Un ion positif (cation) est formé lorsqu'un atome neutre :

Glossaire

Atome
La plus petite unité constitutive de la matière ordinaire qui possède les propriétés d'un élément chimique. Il est composé d'un noyau central et d'électrons.
Proton
Particule subatomique avec une charge électrique positive de \(+e\) (\(+1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\)) et une masse d'environ 1 unité de masse atomique. Se trouve dans le noyau.
Neutron
Particule subatomique sans charge électrique nette et une masse légèrement supérieure à celle d'un proton. Se trouve dans le noyau.
Électron
Particule subatomique avec une charge électrique négative de \(-e\) (\(-1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\)) et une masse beaucoup plus petite que celle d'un proton ou d'un neutron. Orbite autour du noyau.
Noyau Atomique
Région centrale, dense, d'un atome, contenant les protons et les neutrons.
Numéro Atomique (\(Z\))
Nombre de protons dans le noyau d'un atome. Il définit l'élément chimique.
Nombre de Masse (\(A\))
Nombre total de protons et de neutrons dans le noyau d'un atome.
Charge Élémentaire (\(e\))
La plus petite unité de charge électrique observée dans la nature, égale à la magnitude de la charge d'un électron ou d'un proton. \(e \approx 1,602 \times 10^{-19} \, \text{C}\).
Ion
Atome ou molécule qui a une charge électrique nette non nulle due à la perte ou au gain d'un ou plusieurs électrons.
Coulomb (C)
Unité SI de la charge électrique.
Structure de l’Atome et Charge Électrique

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