physique chimie 3 -3 l'atome

  

PHYSIQUE-CHIMIE — CLASSE DE 3e Organisation de la matière dans l'Univers L'atome noyau · protons · neutrons · électrons Z, A, isotopes, ions, dimensions et masses

 

Dans ce document
Cours illustré centré sur le cours du professeur (Z, A, p⁺, n⁰) · fiche de révision express · 10 exercices et 3 problèmes pour travailler seul · quiz de 50 questions · épreuve classique du brevet · 5 exercices de type brevet · tous les corrigés en fin de document

 

Conforme aux modalités du DNB — session 2027

Épreuve de sciences 1 h · programme de 3e · réponses rédigées · 2 points de maîtrise de la langue

Méthode BPS-E — Découverte · Lecture active · Quiz · Cartes Leitner

Sommaire

Introduction — Objectifs et mode d'emploi.......... 3

Chapitre 1 — L'atome............................................ 4

1. Comment a-t-on découvert la structure de l'atome ?................................................................... 4

2. La structure de l'atome......................................... 5

3. Le numéro atomique Z et le nombre de masse A 6

4. Élément chimique, tableau périodique et isotopes.................................................................... 7

5. Des atomes aux ions............................................. 8

6. Les dimensions : un atome presque vide............. 9

7. Les masses : tout est dans le noyau................... 10

8. L'atome dans l'Univers....................................... 11

Fiche de révision express..................................... 13

Je travaille seul — exercices................................ 14

Problèmes pour travailler seul............................. 16

Quiz de 50 questions............................................ 17

Épreuve classique du brevet — partie physique-chimie.................................................................. 20

Cinq exercices de type brevet.............................. 21

Exercice 1 — Le sel de Guérande........................... 21

Exercice 2 — Le carbone 14, une horloge naturelle................................................................................ 21

Exercice 3 — L'expérience de Rutherford.............. 21

Exercice 4 — La canette en aluminium.................. 22

Exercice 5 — Nous sommes des poussières d'étoiles................................................................................ 22

Corrigés................................................................ 23

Grille du quiz........................................................... 23

Je travaille seul....................................................... 23

Problèmes............................................................... 24

Épreuve classique du brevet.................................. 25

Cinq exercices de type brevet................................ 25

Bibliographie et sources....................................... 27

Introduction — Objectifs et mode d'emploi

Ce document fait le lien entre trois sources : le cours de ton professeur (Chap. 1 : L'atome), qui en est le cœur ; le manuel (chapitre « L'atome ») pour les activités et les exercices ; le cours et le diaporama « Organisation de la matière dans l'Univers », dont il reprend et complète la partie sur les constituants de l'atome.

Partie	Contenu
Cours	8 sections illustrées : modèles historiques, structure, Z et A, éléments et isotopes, ions, dimensions, masses, l'atome dans l'Univers
Je m'entraîne seul	fiche de révision express · 10 exercices · 3 problèmes
Je m'évalue	quiz de 50 questions · épreuve classique du brevet · 5 exercices de type brevet
Corrigés	toutes les réponses sont regroupées à la fin du document

 

🎓 Brevet 2027 Ce qui change pour toi au brevet 2027 •     Note finale sur 20 : épreuves écrites 60 %, contrôle continu 40 % ; brevet obtenu à partir de 10/20. •     Épreuve de sciences : 1 heure, coefficient 2, sur deux disciplines parmi physique-chimie, SVT et technologie (environ 30 minutes chacune). Les sujets portent sur le programme de 3ᵉ. •     Maîtrise de la langue : au moins 2 points dans chaque épreuve écrite, sciences comprises : phrases complètes, vocabulaire scientifique exact, raisonnement organisé. •     Moins de QCM, davantage de réponses rédigées et justifiées.

 

Comment travailler seul avec ce document (cycle BPS-E)

Étape	Ce que je fais	Durée
1. Découverte	Je lis une section du cours et j'observe les schémas.	1 Pomodoro (25 min)
2. Lecture active	Je reformule par écrit chaque encadré « À retenir », puis je l'explique à voix haute.	1 Pomodoro
3. Je m'entraîne	Exercices et quiz sans regarder le cours, puis correction avec les corrigés de fin de document.	1 Pomodoro
4. Cartes Leitner	Chaque erreur et chaque encadré clé devient une carte (recto : question ; verso : réponse).	10 min

 

Les encadrés : 📘 Définition · ⭐ À retenir · ⚠️ Attention · 🔎 Exemple · 🛠️ Méthode · ✏️ Exercice résolu · 👩‍🏫 Dans le cours de ton professeur.

Chapitre 1 — L'atome

👩‍🏫 Dans le cours de ton professeur Ton professeur a construit le chapitre autour de trois idées centrales, que ce document place au cœur de chaque partie : •     La matière est composée d'atomes, invisibles à l'œil nu et au microscope (environ 0,1 nm), formés d'un noyau entouré d'un nuage électronique. •     Le noyau est 100 000 fois plus petit que l'atome mais en constitue presque toute la masse. Il contient deux sortes de nucléons : les protons, charges positives notées p⁺, et les neutrons, électriquement neutres, notés n⁰. •     Le numéro atomique Z est le nombre de protons (Z = p⁺) ; le nombre de masse A est le nombre de nucléons (A = p⁺ + n⁰). Garde ces notations p⁺, n⁰ et e⁻ : ce sont celles attendues en classe et sur ta copie.

 

Objectifs du chapitre. À la fin, tu sais : ① décrire la structure d'un atome (noyau, nucléons, électrons) ; ② utiliser Z et A pour donner la composition d'un atome ; ③ expliquer la neutralité électrique de l'atome et la formation d'un ion ; ④ reconnaître des isotopes ; ⑤ comparer les dimensions et les masses de l'atome et de ses constituants avec les puissances de 10 ; ⑥ relier l'atome à l'organisation de la matière dans l'Univers.

1. Comment a-t-on découvert la structure de l'atome ?

L'idée d'atome (du grec atomos, « qu'on ne peut pas couper ») date de l'Antiquité, mais sa structure n'a été découverte qu'au début du XXᵉ siècle, par une succession de modèles de plus en plus précis.

En 1909, les assistants de Rutherford bombardent une feuille d'or très fine avec des particules chargées positivement. Presque toutes traversent la feuille sans être déviées ; quelques-unes rebondissent. Le modèle de Thomson (une sphère pleine de charges) ne peut pas l'expliquer : Rutherford propose alors un modèle planétaire, avec un noyau minuscule, dense et positif, entouré de vide.

📘 Définition — Qu'est-ce qu'un modèle ? Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité qui permet d'expliquer des observations. Il est remplacé quand une expérience le contredit : la science progresse par corrections successives.

 

2. La structure de l'atome

La matière (solide, liquide ou gazeuse) est composée d'atomes. Un atome est constitué : •     d'un noyau central, formé de nucléons : les protons (p⁺) et les neutrons (n⁰) ; •     d'électrons (e⁻) qui se déplacent autour du noyau et forment le nuage électronique.

 

Particule	Symbole	Charge électrique	Localisation	Masse (kg)
Proton	p⁺	positive (+)	dans le noyau	1,7 × 10⁻²⁷
Neutron	n⁰	nulle (neutre)	dans le noyau	1,7 × 10⁻²⁷
Électron	e⁻	négative (−)	autour du noyau	9,1 × 10⁻³¹

 

Diapositive du diaporama de révision : le tableau des constituants et la « loi de neutralité ».

⭐ À retenir — La neutralité de l'atome Un atome est électriquement neutre : il possède autant de protons que d'électrons. Les charges positives du noyau compensent exactement les charges négatives des électrons. nombre d'électrons = nombre de protons = Z

 

⚠️ Attention Le noyau n'est pas neutre : il est positif (il ne contient que des protons, positifs, et des neutrons, neutres). C'est l'atome entier qui est neutre.

 

3. Le numéro atomique Z et le nombre de masse A

📘 Définition — Définitions du cours •     Le numéro atomique, noté Z, est le nombre de protons contenus dans le noyau : Z = p⁺. •     Le nombre de masse, noté A, est le nombre de nucléons dans le noyau : A = p⁺ + n⁰. On en déduit le nombre de neutrons : n⁰ = A − Z

 

✏️ Exercice résolu — L'exemple du professeur : le lithium Représente le noyau de l'atome de lithium pour lequel Z = 3 et A = 7 (exemple du cours). Z = 3 → 3 protons ;  A = 7 → 7 nucléons ;  n⁰ = A − Z = 7 − 3 = 4 neutrons. L'atome de lithium étant neutre, il possède aussi 3 électrons autour du noyau.

 

🛠️ Méthode — Donner la composition d'un atome en 4 étapes 1.     Je lis Z → nombre de protons. 2.     Je calcule A − Z → nombre de neutrons. 3.     Pour un atome (neutre) : nombre d'électrons = Z. 4.     Je vérifie : protons + neutrons = A.

 

🔎 Exemple — Pour aller plus loin : l'écriture conventionnelle On résume souvent Z et A en les écrivant à gauche du symbole de l'élément : A en haut, Z en bas. Exemples : ⁷₃Li pour le lithium, ¹²₆C pour le carbone, ²³₁₁Na pour le sodium.

 

Atome	Symbole	Z	A	Protons	Neutrons	Électrons
Hydrogène	H	1	1	1	0	1
Carbone	C	6	12	6	6	6
Azote	N	7	14	7	7	7
Oxygène	O	8	16	8	8	8
Sodium	Na	11	23	11	12	11
Fer	Fe	26	56	26	30	26

 

4. Élément chimique, tableau périodique et isotopes

📘 Définition — Élément chimique Un élément chimique est défini par son numéro atomique Z, c'est-à-dire par le nombre de protons de ses atomes. Tous les atomes qui ont Z = 6 sont des atomes de carbone, que ce soit dans un diamant, dans ton corps ou dans une étoile. Chaque élément a un symbole (une majuscule, parfois suivie d'une minuscule : C, Cl, Ca…).

 

Le tableau périodique (de Mendeleïev) range les éléments par Z croissant : il suffit d'y lire Z pour connaître le nombre de protons.

📘 Définition — Isotopes Des isotopes sont des atomes d'un même élément (même Z, donc même nombre de protons) qui ont un nombre de neutrons différent (donc un A différent).

 

⚠️ Attention Deux atomes qui ont le même A mais pas le même Z ne sont pas des isotopes : ce sont deux éléments différents. C'est Z qui décide de l'élément.

 

5. Des atomes aux ions

Un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons. Le noyau, lui, ne change pas : Z reste le même. On obtient alors un ion, qui porte une charge électrique.

📘 Définition — Ion •     Un atome qui perd des électrons devient un ion positif (cation) : Na⁺, Li⁺, Cu²⁺, Fe³⁺… •     Un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif (anion) : Cl⁻, O²⁻… charge de l'ion = nombre de protons − nombre d'électrons

 

✏️ Exercice résolu — L'ion lithium Donner la composition de l'ion Li⁺ (lithium : Z = 3, A = 7). Le signe + indique que l'atome a perdu 1 électron : Li⁺ possède 3 protons, 4 neutrons et 3 − 1 = 2 électrons. Vérification : charge = 3 − 2 = +1 ✔.

 

⚠️ Attention Un ion positif n'a pas gagné de protons ! Seul le nombre d'électrons change. Les protons ne quittent jamais le noyau lors d'une transformation chimique.

 

6. Les dimensions : un atome presque vide

mètre	millimètre	micromètre	nanomètre	picomètre	femtomètre
m	mm	µm	nm	pm	fm
1 m	10⁻³ m	10⁻⁶ m	10⁻⁹ m	10⁻¹² m	10⁻¹⁵ m

 

⭐ À retenir — Ordres de grandeur du cours •     L'atome mesure environ 0,1 nm = 10⁻¹⁰ m. •     Le noyau mesure environ 10⁻¹⁵ m : il est 100 000 fois plus petit que l'atome (10⁻¹⁰ ÷ 10⁻¹⁵ = 10⁵). •     Entre le noyau et les électrons : du vide. On dit que la matière a une structure lacunaire.

 

✏️ Exercice résolu — Imaginer le vide Si le noyau d'un atome avait la taille d'un ballon de football (22 cm), quelle serait la taille de l'atome ? L'atome est 100 000 fois plus grand que le noyau : 22 cm × 100 000 = 2 200 000 cm = 22 km. Un ballon au centre d'une ville entière : entre les deux, rien !

 

⚠️ Attention — Une valeur à ne pas confondre Le diaporama de révision indique « noyau 10 000 fois plus petit ». La valeur à retenir, donnée par ton professeur et par ton manuel, est 100 000 fois (10⁵). Selon l'atome, le rapport varie entre environ 10 000 et 100 000, mais au brevet on attend l'ordre de grandeur 10⁵.

 

🛠️ Méthode — Calculer un rapport avec les puissances de 10 Pour comparer deux longueurs, on calcule leur rapport en divisant la plus grande par la plus petite, dans la même unité :  = 10⁻¹⁰⁻⁽⁻¹⁵⁾ = 10⁵ = 100 000 Rappel :  = 10ᵃ⁻ᵇ.

 

7. Les masses : tout est dans le noyau

⭐ À retenir — Masse de l'atome Un nucléon (proton ou neutron) a une masse d'environ 1,7 × 10⁻²⁷ kg ; un électron, d'environ 9,1 × 10⁻³¹ kg : un nucléon est environ 1 870 fois (≈ 2 000 fois) plus lourd qu'un électron. La masse des électrons est négligeable : la masse de l'atome est concentrée dans son noyau. masse d'un atome ≈ A × masse d'un nucléon

 

✏️ Exercice résolu — La masse d'un atome de carbone Calculer la masse d'un atome de carbone (A = 12). m ≈ 12 × 1,7 × 10⁻²⁷ kg ≈ 2,0 × 10⁻²⁶ kg. On a négligé la masse des 6 électrons (6 × 9,1 × 10⁻³¹ ≈ 5,5 × 10⁻³⁰ kg, soit environ 3 000 fois moins). Conséquence : un gramme de carbone contient environ  = 5 × 10²² atomes : cinquante mille milliards de milliards !

 

8. L'atome dans l'Univers

Ce chapitre prolonge le cours « Organisation de la matière dans l'Univers ». Les mêmes éléments chimiques, repérés par leur Z, se retrouvent partout : sur Terre, dans les étoiles et dans les galaxies les plus lointaines.

⭐ À retenir — Une matière universelle •     L'hydrogène (Z = 1) et l'hélium (Z = 2) sont les éléments les plus abondants de l'Univers : ils se sont formés peu après le Big Bang. •     Les éléments plus lourds (carbone, oxygène, fer…) sont fabriqués dans le cœur des étoiles par fusion nucléaire : des noyaux légers s'assemblent en noyaux plus lourds. •     Les atomes de notre corps ont donc été formés dans des étoiles : nous sommes faits de « poussière d'étoiles ».

 

Fiche de révision express

Notion	À savoir par cœur
Atome	noyau (protons p⁺ + neutrons n⁰ = nucléons) + électrons e⁻ (nuage électronique)
Z	numéro atomique = nombre de protons (= nombre d'électrons de l'atome neutre)
A	nombre de masse = nombre de nucléons (p⁺ + n⁰)
Neutrons	n⁰ = A − Z
Neutralité	atome : autant de protons que d'électrons ; le noyau, lui, est positif
Élément	défini par Z ; symbole : C, O, Na, Cl…
Isotopes	même Z, A différent (nombre de neutrons différent)
Ion	atome qui a perdu (ion +) ou gagné (ion −) des électrons ; charge = p⁺ − e⁻
Dimensions	atome ≈ 10⁻¹⁰ m (0,1 nm) ; noyau ≈ 10⁻¹⁵ m ; rapport ≈ 100 000 ; atome lacunaire
Masses	nucléon ≈ 1,7 × 10⁻²⁷ kg ; électron ≈ 9,1 × 10⁻³¹ kg ; m(atome) ≈ A × m(nucléon)
Univers	H et He majoritaires (Big Bang) ; éléments lourds formés dans les étoiles

 

⚠️ Attention — Les 3 erreurs les plus fréquentes •     Confondre A (nucléons) et Z (protons). •     Dire qu'un ion positif a gagné des protons (il a perdu des électrons). •    Oublier l'unité ou mal manier les puissances de 10 :  = 10ᵃ⁻ᵇ.

 

Cartes Leitner (recto → verso) : « Z = ? » → nombre de protons · « A = ? » → nombre de nucléons · « Neutrons ? » → A − Z · « Taille atome / noyau ? » → 10⁻¹⁰ m / 10⁻¹⁵ m · « Isotopes ? » → même Z, A différent · « Ion Na⁺ ? » → 11 p⁺, 10 e⁻.

Je travaille seul — exercices

Travaille sans regarder le cours, puis vérifie avec les corrigés en fin de document. Compte environ 2 Pomodoros (2 × 25 min) pour les 10 exercices.

Exercice 1 — Compléter un tableau

Recopier et compléter le tableau.

Atome	Symbole	Z	A	Protons	Neutrons	Électrons
Hélium	He	2	4
Carbone	C		12	6
Oxygène	O	8			8
Sodium	Na		23			11
Or	Au	79	197
Uranium	U	92			146

 

Exercice 2 — Qui suis-je ?

Retrouver le mot correspondant à chaque définition.

a) Je suis le lieu où se concentre la masse de l'atome.  b) Je porte une charge négative.  c) Je suis un nucléon sans charge.  d) Je suis le nombre de protons d'un noyau.  e) Je suis le sous-multiple du mètre adapté à la taille du noyau.

Exercice 3 — L'aluminium

L'aluminium (Al) a pour numéro atomique Z = 13 et pour nombre de masse A = 27. Donner la composition de son noyau et de son atome.

Exercice 4 — Le plomb

Le plomb (Pb) a pour numéro atomique Z = 82 ; son noyau compte 207 nucléons. Donner la composition d'un atome de plomb. Pourquoi ce métal est-il interdit dans les canalisations depuis 1995 ? (une phrase)

Exercice 5 — L'arsenic

Le noyau de l'arsenic (As) contient 75 nucléons dont 42 neutrons. Déterminer Z, puis la composition de l'atome.

Exercice 6 — Retrouver des isotopes

Voici des couples (nombre de protons ; nombre de nucléons) : (8 ; 16) · (6 ; 12) · (8 ; 17) · (17 ; 35) · (6 ; 14) · (8 ; 18) · (17 ; 37).

1) Identifier les isotopes de l'oxygène (Z = 8).  2) Ceux du chlore (Z = 17).  3) Ceux du carbone (Z = 6).  4) Combien de neutrons possède chacun des isotopes de l'oxygène ?

Exercice 7 — Des atomes aux ions

Données : Z(Na) = 11 ; Z(Mg) = 12 ; Z(O) = 8 ; Z(Cl) = 17 ; Z(Cu) = 29.

1) Donner le nombre de protons et d'électrons des ions Na⁺, Mg²⁺, O²⁻ et Cl⁻.  2) Un ion possède 29 protons et 27 électrons. Donner sa formule.

Exercice 8 — Les dimensions de l'hélium

L'atome d'hélium a un rayon de 31 pm ; son noyau, un rayon de 1,9 fm.

1) Exprimer ces rayons en mètre avec les puissances de 10.  2) Combien de fois l'atome est-il plus grand que son noyau ?

Exercice 9 — La masse d'un atome d'oxygène

L'oxygène a pour nombre de masse A = 16 (Z = 8). Données : m(nucléon) = 1,7 × 10⁻²⁷ kg ; m(électron) = 9,1 × 10⁻³¹ kg.

1) Calculer la masse du noyau.  2) Calculer la masse des électrons.  3) Justifier que l'on peut négliger la masse des électrons.

Exercice 10 — À l'échelle !

On représente le noyau d'un atome par une tête d'épingle de 1 mm de diamètre. En respectant l'échelle du cours (rapport 100 000), quel objet représenterait l'atome : une balle de tennis (5 cm), un stade (100 m) ou la Lune (3 500 km) ?

Problèmes pour travailler seul

Problème 1 — L'humanité dans un dé à coudre

Irène et Frédéric Joliot-Curie, prix Nobel de chimie, aimaient dire : « Si on pressait les uns contre les autres les noyaux des atomes de toute l'humanité, ils occuperaient un volume inférieur à celui d'un dé à coudre. »

Donnée (ordre de grandeur)	Valeur
Nombre d'humains	7 × 10⁹
Masse moyenne d'un humain	50 kg
Masse moyenne d'un atome du corps humain	2 × 10⁻²⁶ kg
Rayon moyen d'un noyau	3 × 10⁻¹⁵ m
Volume d'un dé à coudre	2 cm³ = 2 × 10⁻⁶ m³

 

1) Estimer le nombre d'atomes dans un corps humain.  2) Calculer le volume d'un noyau (V =  π R³).  3) En déduire le volume des noyaux d'un humain, puis de toute l'humanité.  4) Valider ou invalider l'affirmation.

Problème 2 — L'ampoule fluo-compacte cassée

Une ampoule fluo-compacte brisée libère environ 1 mg de mercure. Un atome de mercure possède 201 nucléons. Donnée : m(nucléon) = 1,7 × 10⁻²⁷ kg.

1) Calculer la masse d'un atome de mercure en précisant l'approximation effectuée.  2) Estimer le nombre d'atomes de mercure libérés.

Problème 3 — Le noyau de fer, incroyablement dense

Un atome de fer compte 56 nucléons. Son rayon atomique vaut 1,5 × 10⁻¹⁰ m ; le rayon de son noyau vaut 5,4 × 10⁻¹⁵ m. Rappel : volume d'une sphère V =  π R³ ; masse volumique ρ = .

1) Calculer la masse d'un atome de fer.  2) Calculer le volume de l'atome et celui du noyau.  3) Calculer la masse volumique de l'atome et celle du noyau.  4) Comparer et conclure.

Quiz de 50 questions

Réponds sur une feuille (numéro + lettre), sans regarder le cours, puis corrige-toi avec la grille des corrigés en fin de document. Chaque erreur devient une carte Leitner. Objectif : 45/50.

⚠️ Attention Ce QCM est un outil de mémorisation. Au brevet 2027, il faut rédiger : les exercices de type brevet ci-après sont donc tous à réponse rédigée.

 

1. La matière est composée…

A) de cellules uniquement      B) d'atomes      C) d'ions uniquement      D) de lumière

2. La taille d'un atome est de l'ordre de…

A) 10⁻³ m      B) 10⁻¹⁰ m      C) 10⁻⁶ m      D) 10⁻¹⁵ m

3. Un atome est constitué…

A) uniquement de protons      B) d'un noyau et d'électrons      C) d'un noyau et de neutrons autour      D) d'électrons au centre et de protons autour

4. Les nucléons sont…

A) les protons et les électrons      B) les neutrons et les électrons      C) les protons et les neutrons      D) uniquement les électrons

5. Le proton porte une charge…

A) négative      B) nulle      C) variable      D) positive

6. Le neutron est…

A) électriquement neutre      B) chargé positivement      C) chargé négativement      D) situé autour du noyau

7. L'électron porte une charge…

A) négative      B) positive      C) nulle      D) double

8. Les électrons se trouvent…

A) dans le noyau      B) collés aux neutrons      C) autour du noyau      D) au centre de l'atome

9. Le numéro atomique Z est…

A) le nombre de neutrons      B) le nombre de nucléons      C) la masse de l'atome      D) le nombre de protons

10. Le nombre de masse A est…

A) le nombre de nucléons      B) le nombre de protons      C) le nombre d'électrons      D) la masse en kg

11. Le nombre de neutrons se calcule par…

A) A − Z      B) A + Z      C) Z − A      D) A × Z

12. Un atome est électriquement…

A) positif      B) négatif      C) instable      D) neutre

13. Le noyau d'un atome est globalement…

A) positif      B) neutre      C) négatif      D) sans charge définie

14. Lithium : Z = 3, A = 7. Nombre de neutrons ?

A) 3      B) 7      C) 10      D) 4

15. Lithium : Z = 3, A = 7. Nombre d'électrons de l'atome ?

A) 4      B) 7      C) 3      D) 10

16. Un atome possède 10 protons et 11 neutrons. Il possède…

A) 11 électrons      B) 10 électrons      C) 21 électrons      D) 1 électron

17. Sodium : Z = 11, A = 23. Nombre de neutrons ?

A) 12      B) 11      C) 23      D) 34

18. Tous les atomes d'azote (Z = 7) possèdent…

A) 7 neutrons      B) 14 nucléons      C) 7 protons      D) 7 ions

19. Un élément chimique est défini par…

A) son nombre de neutrons      B) sa masse      C) son numéro atomique Z      D) sa couleur

20. Des isotopes ont…

A) le même Z mais un A différent      B) le même A mais un Z différent      C) le même nombre de neutrons      D) des charges différentes

21. Le carbone 12 et le carbone 14 diffèrent par leur nombre de…

A) protons      B) électrons      C) noyaux      D) neutrons

22. Un ion positif est un atome qui a…

A) perdu des électrons      B) gagné des électrons      C) gagné des protons      D) perdu des protons

23. L'ion Na⁺ (Z = 11) possède…

A) 10 électrons      B) 11 électrons      C) 12 électrons      D) 22 électrons

24. L'ion Cl⁻ (Z = 17) possède…

A) 18 électrons      B) 16 électrons      C) 17 électrons      D) 35 électrons

25. Un ion possède 12 protons et 10 électrons. Sa charge est…

A) −2      B) 0      C) +12      D) +2

26. Lors de la formation d'un ion, le noyau…

A) perd des protons      B) gagne des neutrons      C) ne change pas      D) se divise

27. Le noyau est environ … fois plus petit que l'atome.

A) 10      B) 1 000      C) 1 000 000 000      D) 100 000

28. La taille du noyau est de l'ordre de…

A) 10⁻¹⁵ m      B) 10⁻¹⁰ m      C) 10⁻⁶ m      D) 10⁻³ m

29. 1 nm = …

A) 10⁻⁶ m      B) 10⁻⁹ m      C) 10⁻¹² m      D) 10⁻¹⁵ m

30. 1 fm (femtomètre) = …

A) 10⁻¹² m      B) 10⁻¹⁵ m      C) 10⁻⁹ m      D) 10⁻¹⁸ m

31. 0,1 nm s'écrit…

A) 10⁻⁸ m      B) 10⁻⁹ m      C) 10⁻¹⁰ m      D) 10⁻¹¹ m

32. On dit que la structure de l'atome est lacunaire car…

A) il manque des électrons      B) elle est essentiellement constituée de vide      C) le noyau est creux      D) les protons sont absents

33. Si le noyau était un ballon de 22 cm, l'atome mesurerait environ…

A) 22 m      B) 2,2 m      C) 22 km      D) 22 000 km

34. La masse d'un nucléon vaut environ…

A) 1,7 × 10⁻²⁷ kg      B) 9,1 × 10⁻³¹ kg      C) 1,7 × 10²⁷ kg      D) 1 g

35. La masse d'un électron vaut environ…

A) 1,7 × 10⁻²⁷ kg      B) 9,1 × 10⁻³¹ kg      C) 9,1 × 10³¹ kg      D) 1 mg

36. Un nucléon est environ … fois plus lourd qu'un électron.

A) 2      B) 20      C) 2 000      D) 2 000 000

37. La masse de l'atome est pratiquement égale à celle…

A) de ses électrons      B) de ses protons seulement      C) du nuage électronique      D) de ses nucléons

38. Masse approchée d'un atome de carbone (A = 12) ?

A) 1,2 × 10⁻²⁷ kg      B) 2,0 × 10²⁶ kg      C) 1,1 × 10⁻²⁹ kg      D) 2,0 × 10⁻²⁶ kg

39. 10⁻¹⁰ ÷ 10⁻¹⁵ = …

A) 10⁻²⁵      B) 10⁵      C) 10⁻⁵      D) 10¹⁵⁰

40. Qui a découvert l'électron (1897) ?

A) Rutherford      B) Chadwick      C) Mendeleïev      D) Thomson

41. L'expérience de la feuille d'or a montré que…

A) l'atome est une sphère pleine      B) l'atome est presque vide avec un petit noyau      C) l'électron est au centre      D) le neutron existe

42. Qui a découvert le neutron (1932) ?

A) Chadwick      B) Thomson      C) Rutherford      D) Curie

43. Le tableau périodique range les éléments par…

A) masse décroissante      B) ordre alphabétique      C) date de découverte      D) numéro atomique croissant

44. Le symbole de l'oxygène est…

A) Ox      B) Og      C) O      D) Oy

45. Le symbole du sodium est…

A) So      B) S      C) Na      D) Sd

46. Les éléments les plus abondants de l'Univers sont…

A) l'oxygène et le fer      B) l'hydrogène et l'hélium      C) le carbone et l'azote      D) le silicium et l'aluminium

47. Les éléments lourds (carbone, fer…) ont été fabriqués…

A) dans les océans      B) au cœur des étoiles      C) par les volcans      D) par les êtres vivants

48. Un atome de carbone sur Terre et un atome de carbone d'une étoile ont…

A) des Z différents      B) des charges différentes      C) aucun point commun      D) le même nombre de protons

49. Le microscope optique ne permet pas de voir un atome car…

A) l'atome est transparent      B) l'atome est bien trop petit      C) l'atome bouge trop vite      D) l'atome est chargé

50. Au brevet 2027, les exercices de sciences demandent surtout de…

A) cocher des cases      B) recopier le cours      C) rédiger et justifier ses réponses      D) dessiner uniquement

Épreuve classique du brevet — partie physique-chimie

🎓 Brevet 2027 Épreuve de sciences — 1 heure — coefficient 2 — notée sur 20. Elle porte sur deux disciplines parmi physique-chimie, SVT et technologie, annoncées environ deux mois avant l'examen ; compte environ 30 minutes par discipline. En 2027, les sujets portent sur le programme de 3ᵉ. •     Toutes les réponses doivent être justifiées ; les calculs doivent être posés avec les unités. •     Maîtrise de la langue : au moins 2 points par épreuve écrite, sciences comprises (orthographe, syntaxe, vocabulaire scientifique, organisation du raisonnement). Les questions ✎ en gras demandent une réponse rédigée. •     Calculatrice autorisée. Barème indicatif sur 10 points pour la partie physique-chimie (30 minutes).

 

Le titane, un métal pour réparer le corps humain (10 points)

Le titane (symbole Ti) est utilisé pour fabriquer des prothèses de hanche et des implants dentaires : il est léger, très résistant et bien toléré par l'organisme. L'isotope le plus courant du titane possède 22 protons et 48 nucléons.

Données
masse d'un nucléon	1,7 × 10⁻²⁷ kg
masse d'un électron	9,1 × 10⁻³¹ kg
rayon de l'atome de titane	147 pm = 1,47 × 10⁻¹⁰ m
rayon du noyau de titane	4,3 fm = 4,3 × 10⁻¹⁵ m
masse d'un implant dentaire	2,0 g

 

1) Donner le numéro atomique Z et le nombre de masse A du titane. (1 pt)

2) Déterminer la composition complète d'un atome de titane. (1,5 pt)

3) Calculer la masse approchée d'un atome de titane en indiquant l'approximation faite. (1,5 pt)

4) Estimer le nombre d'atomes de titane dans un implant dentaire. (1,5 pt)

5) Calculer le rapport entre le rayon de l'atome et celui de son noyau. Comparer à la valeur du cours. (1,5 pt)

6) Dans le corps, le titane peut former l'ion Ti⁴⁺. Donner le nombre d'électrons de cet ion et expliquer comment il s'est formé. (1 pt)

✎ 7) Un camarade affirme : « L'implant est dur et plein, donc ses atomes sont pleins de matière. » En t'appuyant sur les résultats précédents, rédige une réponse argumentée de quelques lignes. (2 pts)

Cinq exercices de type brevet

Chaque exercice correspond à une partie physique-chimie d'environ 30 minutes (barème indicatif sur 10). Les corrigés détaillés sont en fin de document.

Exercice 1 — Le sel de Guérande

Le sel de cuisine est du chlorure de sodium, composé d'ions sodium Na⁺ et d'ions chlorure Cl⁻ en nombre égal. Données : sodium Z = 11, A = 23 ; chlore Z = 17, A = 35.

1) Donner la composition de l'atome de sodium et celle de l'atome de chlore. (2 pts)

2) Donner le nombre de protons et d'électrons des ions Na⁺ et Cl⁻. (2 pts)

3) Expliquer, pour chaque ion, s'il résulte d'un gain ou d'une perte d'électrons. (2 pts)

4) Le chlore naturel contient aussi des atomes de 37 nucléons. Comment appelle-t-on ces atomes ? Combien de neutrons ont-ils ? (2 pts)

✎ 5) Expliquer pourquoi le cristal de sel est électriquement neutre. (2 pts)

Exercice 2 — Le carbone 14, une horloge naturelle

Le carbone possède trois isotopes naturels : le carbone 12, le carbone 13 et le carbone 14 (radioactif). Le carbone 14 sert à dater des objets anciens : sa quantité est divisée par 2 environ tous les 5 700 ans. Donnée : Z(C) = 6.

1) Donner la composition du noyau de chacun des trois isotopes. (3 pts)

2) Pourquoi ces trois atomes sont-ils des atomes du même élément ? (1,5 pt)

3) Un os contenait au départ 8 milliards d'atomes de carbone 14. Combien en reste-t-il après 5 700 ans ? après 11 400 ans ? (2,5 pts)

4) Il reste 1 milliard d'atomes. Estimer l'âge de l'os. (1 pt)

✎ 5) Expliquer en une phrase pourquoi la masse d'un atome de carbone 14 est plus grande que celle d'un atome de carbone 12. (2 pts)

Exercice 3 — L'expérience de Rutherford

En 1909, des particules α (chargées positivement) sont envoyées sur une feuille d'or très fine. La quasi-totalité la traverse sans être déviée ; quelques-unes sont fortement déviées ou rebondissent. Données : rayon de l'atome d'or : 144 pm ; rayon de son noyau : 7 fm.

1) Selon le modèle de Thomson, l'atome est une sphère pleine de charges. Quelles observations ce modèle ne permet-il pas d'expliquer ? (2 pts)

2) Que peut-on déduire du fait que la plupart des particules traversent la feuille ? (2 pts)

3) Que peut-on déduire du fait que quelques particules, positives, sont repoussées ? (2 pts)

4) Calculer le rapport entre le rayon de l'atome d'or et celui de son noyau. (2 pts)

✎ 5) Rédiger une conclusion expliquant pourquoi le modèle planétaire a remplacé celui de Thomson. (2 pts)

Exercice 4 — La canette en aluminium

Une canette vide en aluminium a une masse de 15 g. L'aluminium a pour symbole Al, Z = 13 et A = 27. Donnée : masse d'un nucléon = 1,7 × 10⁻²⁷ kg.

1) Donner la composition d'un atome d'aluminium. (2 pts)

2) Calculer la masse d'un atome d'aluminium. (2 pts)

3) Calculer le nombre d'atomes dans la canette. (2 pts)

4) L'aluminium peut former l'ion Al³⁺. Combien d'électrons possède-t-il ? (1,5 pt)

✎ 5) Le recyclage d'une canette permet de retrouver tous ses atomes d'aluminium. Expliquer pourquoi, en utilisant la notion d'élément chimique. (2,5 pts)

Exercice 5 — Nous sommes des poussières d'étoiles

Le Soleil est composé en masse d'environ 73 % d'hydrogène et 25 % d'hélium. Au cœur des étoiles, des noyaux légers fusionnent pour former des noyaux plus lourds : par exemple, trois noyaux d'hélium (Z = 2, A = 4) peuvent former un noyau de carbone. Le corps humain contient surtout de l'oxygène (Z = 8), du carbone (Z = 6) et de l'hydrogène (Z = 1).

1) Donner la composition d'un noyau d'hélium 4. (1,5 pt)

2) Combien de protons et de neutrons obtient-on en réunissant trois noyaux d'hélium ? Quel élément obtient-on ? Justifier. (3 pts)

3) Un atome d'hydrogène de l'eau de ton corps et un atome d'hydrogène du Soleil sont-ils identiques ? Justifier. (2 pts)

4) La lumière du Soleil met 8 minutes pour nous parvenir. Que voit-on quand on regarde le Soleil ? (1 pt)

✎ 5) Expliquer l'expression « nous sommes des poussières d'étoiles ». (2,5 pts)

Corrigés

Grille du quiz

N°	Rép.	N°	Rép.	N°	Rép.	N°	Rép.	N°	Rép.
1	B	11	A	21	D	31	C	41	B
2	B	12	D	22	A	32	B	42	A
3	B	13	A	23	A	33	C	43	D
4	C	14	D	24	A	34	A	44	C
5	D	15	C	25	D	35	B	45	C
6	A	16	B	26	C	36	C	46	B
7	A	17	A	27	D	37	D	47	B
8	C	18	C	28	A	38	D	48	D
9	D	19	C	29	B	39	B	49	B
10	A	20	A	30	B	40	D	50	C

 

Je travaille seul

Exercice 1 — Compléter un tableau

Atome	Z	A	p⁺	n⁰	e⁻
He	2	4	2	2	2
C	6	12	6	6	6
O	8	16	8	8	8
Na	11	23	11	12	11
Au	79	197	79	118	79
U	92	238	92	146	92

 

Méthode : p⁺ = Z ; n⁰ = A − Z ; e⁻ = Z (atome neutre) ; A = p⁺ + n⁰.

Exercice 2 — Qui suis-je ?

a) le noyau · b) l'électron · c) le neutron · d) le numéro atomique Z · e) le femtomètre (fm, 10⁻¹⁵ m).

Exercice 3 — L'aluminium

Noyau : 13 protons et 27 − 13 = 14 neutrons. Atome neutre : 13 électrons.

Exercice 4 — Le plomb

82 protons, 207 − 82 = 125 neutrons et 82 électrons. Le plomb est toxique : il peut provoquer une intoxication grave (le saturnisme).

Exercice 5 — L'arsenic

Z = A − n⁰ = 75 − 42 = 33. L'atome d'arsenic possède 33 protons, 42 neutrons et 33 électrons.

Exercice 6 — Retrouver des isotopes

1) Oxygène : (8 ; 16), (8 ; 17), (8 ; 18).  2) Chlore : (17 ; 35), (17 ; 37).  3) Carbone : (6 ; 12), (6 ; 14).

4) 16 − 8 = 8 ; 17 − 8 = 9 ; 18 − 8 = 10 neutrons.

Exercice 7 — Des atomes aux ions

1) Na⁺ : 11 p⁺, 10 e⁻ · Mg²⁺ : 12 p⁺, 10 e⁻ · O²⁻ : 8 p⁺, 10 e⁻ · Cl⁻ : 17 p⁺, 18 e⁻.

2) 29 protons → cuivre ; charge = 29 − 27 = +2 → ion Cu²⁺.

Exercice 8 — Les dimensions de l'hélium

1) 31 pm = 31 × 10⁻¹² m = 3,1 × 10⁻¹¹ m ; 1,9 fm = 1,9 × 10⁻¹⁵ m.

2)  ≈ 1,6 × 10⁴ : l'atome est environ 16 000 fois plus grand que son noyau (l'ordre de grandeur est proche de celui du cours).

Exercice 9 — La masse d'un atome d'oxygène

1) 16 × 1,7 × 10⁻²⁷ = 2,72 × 10⁻²⁶ kg ≈ 2,7 × 10⁻²⁶ kg.

2) 8 × 9,1 × 10⁻³¹ = 7,28 × 10⁻³⁰ kg ≈ 7,3 × 10⁻³⁰ kg.

3) La masse des électrons représente environ 0,03 % de celle du noyau (7,3 × 10⁻³⁰ ÷ 2,7 × 10⁻²⁶ ≈ 0,000 27) : elle est négligeable.

Exercice 10 — À l'échelle !

1 mm × 100 000 = 100 000 mm = 100 m : l'atome aurait la taille d'un stade.

Problèmes

Problème 1 — L'humanité dans un dé à coudre

1) N =  = 2,5 × 10²⁷ atomes.

2) V =  × π × (3 × 10⁻¹⁵)³ ≈ 1,1 × 10⁻⁴³ m³.

3) Un humain : 2,5 × 10²⁷ × 1,1 × 10⁻⁴³ ≈ 2,8 × 10⁻¹⁶ m³. Humanité : 2,8 × 10⁻¹⁶ × 7 × 10⁹ ≈ 2 × 10⁻⁶ m³ = 2 cm³.

4) On trouve environ 2 cm³, le volume d'un dé à coudre : l'affirmation est validée (en ordre de grandeur). Tout le reste est du vide !

Problème 2 — L'ampoule fluo-compacte cassée

1) m ≈ 201 × 1,7 × 10⁻²⁷ ≈ 3,4 × 10⁻²⁵ kg (on néglige la masse des électrons).

2) 1 mg = 10⁻⁶ kg ; N =  ≈ 2,9 × 10¹⁸ atomes (environ 3 milliards de milliards).

Problème 3 — Le noyau de fer, incroyablement dense

1) m ≈ 56 × 1,7 × 10⁻²⁷ ≈ 9,5 × 10⁻²⁶ kg.

2) V(atome) ≈ 1,4 × 10⁻²⁹ m³ ; V(noyau) ≈ 6,6 × 10⁻⁴³ m³.

3) ρ(atome) ≈  ≈ 6 700 kg/m³ (proche de la masse volumique réelle du fer, 7 870 kg/m³) ; ρ(noyau) ≈ 1,4 × 10¹⁷ kg/m³.

4) Le noyau est environ 2 × 10¹³ fois (vingt mille milliards de fois) plus dense que l'atome : toute la masse est concentrée dans un volume minuscule, le reste de l'atome est vide.

Épreuve classique du brevet

1) Z = 22 (nombre de protons) ; A = 48 (nombre de nucléons).

2) 22 protons ; 48 − 22 = 26 neutrons ; 22 électrons (atome électriquement neutre : autant d'électrons que de protons).

3) m ≈ 48 × 1,7 × 10⁻²⁷ ≈ 8,2 × 10⁻²⁶ kg. On néglige la masse des 22 électrons, environ 1 870 fois plus légers que chaque nucléon.

4) 2,0 g = 2,0 × 10⁻³ kg ; N =  ≈ 2,4 × 10²² atomes.

5)  ≈ 3,4 × 10⁴ : l'atome est environ 34 000 fois plus grand que son noyau. La valeur du cours est 100 000 : l'écart est d'environ 3, mais l'ordre de grandeur (plusieurs dizaines de milliers) est comparable.

6) Ti⁴⁺ possède 22 − 4 = 18 électrons : l'atome de titane a perdu 4 électrons. Son noyau (22 protons, 26 neutrons) est inchangé.

✎ 7) Réponse attendue : l'affirmation est fausse. Presque toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau, qui est des dizaines de milliers de fois plus petit que l'atome (question 5) ; entre le noyau et les électrons, il n'y a que du vide : la structure de l'atome est lacunaire. La dureté de l'implant vient des liaisons entre les atomes, pas du fait qu'ils seraient « pleins ». Barème : idée de vide (0,5), appui chiffré (0,5), conclusion claire (0,5), qualité de la langue (0,5).

Cinq exercices de type brevet

Exercice 1 — Le sel de Guérande

1) Na : 11 p⁺, 12 n⁰, 11 e⁻. Cl : 17 p⁺, 18 n⁰, 17 e⁻.

2) Na⁺ : 11 p⁺, 10 e⁻. Cl⁻ : 17 p⁺, 18 e⁻.

3) Na⁺ : charge +1, l'atome a perdu 1 électron. Cl⁻ : charge −1, l'atome a gagné 1 électron.

4) Ce sont des isotopes du chlore (même Z = 17) ; ils ont 37 − 17 = 20 neutrons.

5) Le cristal contient autant d'ions Na⁺ (charge +1) que d'ions Cl⁻ (charge −1) : les charges positives et négatives se compensent exactement, le cristal est donc neutre.

Exercice 2 — Le carbone 14, une horloge naturelle

1) ¹²C : 6 p⁺, 6 n⁰ ; ¹³C : 6 p⁺, 7 n⁰ ; ¹⁴C : 6 p⁺, 8 n⁰.

2) Ils ont le même numéro atomique Z = 6 (même nombre de protons) : ce sont des isotopes du même élément, le carbone.

3) Après 5 700 ans : 8 ÷ 2 = 4 milliards ; après 11 400 ans : 4 ÷ 2 = 2 milliards.

4) 8 → 4 → 2 → 1 : trois divisions par 2, soit 3 × 5 700 ≈ 17 100 ans.

5) Le carbone 14 a deux neutrons de plus que le carbone 12 ; comme la masse de l'atome est concentrée dans les nucléons du noyau, il est plus lourd (environ 14 × 1,7 × 10⁻²⁷ kg contre 12 × 1,7 × 10⁻²⁷ kg).

Exercice 3 — L'expérience de Rutherford

1) Si l'atome était une sphère pleine, les particules devraient toutes être freinées ou déviées de la même façon ; il n'explique ni le passage de presque toutes les particules, ni les quelques rebonds violents.

2) L'atome est essentiellement vide (structure lacunaire).

3) Il existe au centre de l'atome une zone très petite, dense et chargée positivement (les charges de même signe se repoussent) : le noyau.

4) 144 pm = 1,44 × 10⁻¹⁰ m ; 7 fm = 7 × 10⁻¹⁵ m ; rapport ≈ 2,1 × 10⁴ ≈ 20 000.

5) Le modèle planétaire (petit noyau positif entouré d'électrons et de vide) explique toutes les observations, alors que le modèle de Thomson en contredit : en science, un modèle contredit par l'expérience est remplacé.

Exercice 4 — La canette en aluminium

1) 13 protons, 27 − 13 = 14 neutrons, 13 électrons.

2) m ≈ 27 × 1,7 × 10⁻²⁷ ≈ 4,6 × 10⁻²⁶ kg.

3) 15 g = 1,5 × 10⁻² kg ; N =  ≈ 3,3 × 10²³ atomes.

4) Al³⁺ : 13 − 3 = 10 électrons.

5) Lors des transformations (fusion, mise en forme), les atomes ne sont ni créés ni détruits et leur noyau ne change pas : ils gardent leurs 13 protons, ce sont toujours des atomes de l'élément aluminium. On peut donc les réutiliser indéfiniment.

Exercice 5 — Nous sommes des poussières d'étoiles

1) Hélium 4 : 2 protons et 4 − 2 = 2 neutrons.

2) 3 × 2 = 6 protons et 3 × 2 = 6 neutrons, soit 12 nucléons. Z = 6 : c'est un noyau de carbone (carbone 12).

3) Oui : tous deux ont Z = 1 (1 proton) ; ce sont des atomes du même élément, l'hydrogène. Les éléments chimiques sont les mêmes partout dans l'Univers.

4) On voit le Soleil tel qu'il était il y a 8 minutes (voir loin, c'est voir dans le passé).

5) Les éléments plus lourds que l'hélium, comme le carbone et l'oxygène de notre corps, ont été fabriqués par fusion nucléaire au cœur d'anciennes étoiles puis dispersés dans l'espace lors de leur explosion ; ils ont ensuite formé le Système solaire, la Terre et les êtres vivants.

Bibliographie et sources

Cours du professeur de physique-chimie : Chap. 1 — L'atome, I. « À quoi ressemble un atome ? » (septembre 2026).

Manuel de physique-chimie cycle 4, chapitre 5 « L'atome » : activités documentaires, L'essentiel, auto-évaluation, exercices.

Cours et diaporama BPS-E : 3-3 Organisation de la matière dans l'Univers (diapositives reproduites : constituants de l'atome, éléments dans l'Univers, poussière d'étoiles).

Brevet 2027 :

L'Étudiant — Brevet des collèges 2027 : dates, épreuves

Service-Public.fr — Notation du brevet et du bac en 2027 (maîtrise de la langue)

Sujets corrigés brevet — L'épreuve de sciences

Figures : réalisées pour ce document (Python / matplotlib), sauf les diapositives du diaporama BPS-E.