QCM : Atomistique et structure électronique — 39 questions

Questions et réponses du QCM

1. Quelle est la composition générale d’un atome électriquement neutre ?

Un noyau neutre composé d’électrons entouré de protons négatifs
Un noyau négatif entouré de neutrons et d’électrons positifs
Un noyau positif entouré d’électrons négatifs en nombre supérieur aux protons
Un noyau positif entouré d’électrons négatifs en nombre égal aux protons

Un noyau positif entouré d’électrons négatifs en nombre égal aux protons

Explication

Un atome neutre possède un noyau constitué de protons et de neutrons, entouré d’électrons négatifs dont le nombre équilibre celui des protons. Un ion se distingue au contraire par un excès ou un déficit d’électrons.

2. Un noyau contient 17 protons et 18 neutrons. Quelle relation permet de déterminer son nombre de masse et quelle est sa valeur ?

A=Z+N=35A=Z+N=35
A=NZ=1A=N-Z=1
A=ZN=1A=Z-N=-1
A=Z×N=306A=Z\times N=306

$$A=Z+N=35$$

Explication

Le nombre de masse correspond au nombre total de nucléons, donc A=Z+N=17+18=35A=Z+N=17+18=35. Le nombre ZZ compte les protons, tandis que NN compte les neutrons.

3. Quel paramètre permet d’identifier un élément chimique parmi les noyaux atomiques ?

Le nombre de protons, noté ZZ
Le nombre de neutrons, noté NN
Le nombre total de nucléons, noté AA
La masse molaire de l’échantillon, notée MM

Le nombre de protons, noté $$Z$$

Explication

Le numéro atomique ZZ est égal au nombre de protons et caractérise l’élément chimique. Deux noyaux peuvent avoir des nombres de neutrons ou de nucléons différents tout en appartenant au même élément.

4. Deux nucléides possèdent le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Comment les désigne-t-on ?

Des noyaux ayant le même nombre de masse
Des isotopes du même élément
Des ions de charges opposées
Des nucléons d’éléments différents

Des isotopes du même élément

Explication

Des isotopes ont le même numéro atomique ZZ, donc le même nombre de protons, mais des nombres de neutrons différents. Des éléments différents se distinguent par leur nombre de protons.

5. Quelle différence distingue un cation d’un anion ?

Un cation contient plus de neutrons que de protons et l’anion moins
Un cation a plus d’électrons que de protons et l’anion en a moins
Un cation et un anion ont autant d’électrons que de protons
Un cation a moins d’électrons que de protons et l’anion en a plus

Un cation a moins d’électrons que de protons et l’anion en a plus

Explication

La perte d’électrons produit un cation positif, tandis que le gain d’électrons produit un anion négatif. La distinction dépend donc du rapport entre électrons et protons, et non du nombre de neutrons.

6. Que représente l’unité de masse atomique unifiée uu ?

La masse d’une mole d’atomes de carbone 12
La masse totale de douze protons isolés
La charge électrique d’un atome de carbone 12
Le douzième de la masse d’un atome de carbone 12

Le douzième de la masse d’un atome de carbone 12

Explication

L’unité uu est définie comme le douzième de la masse d’un atome de carbone 12 et vaut environ 1,660538×1027 kg1{,}660538\times10^{-27}\ \mathrm{kg}. Elle mesure une masse atomique, tandis que la masse molaire concerne une mole d’entités.

7. Combien d’entités contient exactement une mole ?

1,00000000×10231{,}00000000\times10^{23} entités
1,660538×10271{,}660538\times10^{27} entités
6,02214076×10236{,}02214076\times10^{-23} entités
6,02214076×10236{,}02214076\times10^{23} entités

$$6{,}02214076\times10^{23}$$ entités

Explication

Une mole contient exactement 6,02214076×10236{,}02214076\times10^{23} entités, quelle que soit leur nature. La valeur en 102310^{-23} ne correspond pas au nombre d’Avogadro.

8. Un échantillon de masse m=10 gm=10\ \mathrm{g} possède une masse molaire M=50 gmol1M=50\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. Combien contient-il de moles ?

n=0,50 moln=0{,}50\ \mathrm{mol}
n=5,0 moln=5{,}0\ \mathrm{mol}
n=60 moln=60\ \mathrm{mol}
n=0,20 moln=0{,}20\ \mathrm{mol}

$$n=0{,}20\ \mathrm{mol}$$

Explication

La quantité de matière se calcule avec n=mMn=\frac{m}{M}, donc n=1050=0,20 moln=\frac{10}{50}=0{,}20\ \mathrm{mol}. Multiplier la masse par la masse molaire donnerait une grandeur incompatible avec la formule.

9. Comment comparer l’état fondamental et un état excité d’un système quantique ?

L’état excité correspond à une particule sans énergie, tandis que l’état fondamental est ionisé
L’état fondamental possède l’énergie la plus élevée, tandis que l’état excité a une énergie inférieure
Les deux états possèdent nécessairement la même énergie, mais des trajectoires différentes
L’état fondamental possède l’énergie la plus basse, tandis que l’état excité a une énergie supérieure

L’état fondamental possède l’énergie la plus basse, tandis que l’état excité a une énergie supérieure

Explication

L’état fondamental est défini comme l’état de plus basse énergie. Un état excité possède une énergie supérieure à celle de cet état de référence.

10. Quel rôle joue une fonction d’onde en mécanique quantique ?

Elle indique nécessairement la position exacte de la particule à chaque instant
Elle permet de calculer des grandeurs observables d’une particule
Elle décrit directement la trajectoire classique suivie par une particule
Elle donne uniquement la masse de la particule étudiée

Elle permet de calculer des grandeurs observables d’une particule

Explication

La fonction d’onde est une fonction mathématique utilisée pour calculer des grandeurs observables. Elle ne constitue pas une trajectoire classique et ne fournit pas directement une position exacte à chaque instant.

11. Si la fonction d’onde d’une particule vaut ψ(r)\psi(r), quelle expression donne la densité de probabilité de présence ?

ρ(r)=ψ(r)2\rho(r)=|\psi(r)|^2
ρ(r)=ψ(r)+1\rho(r)=\psi(r)+1
ρ(r)=ψ(r)\rho(r)=\psi(r)
ρ(r)=1ψ(r)\rho(r)=\frac{1}{\psi(r)}

$$\rho(r)=|\psi(r)|^2$$

Explication

La densité de probabilité de présence est le carré du module de la fonction d’onde, soit ρ(r)=ψ(r)2\rho(r)=|\psi(r)|^2. La fonction d’onde elle-même n’est donc pas la densité de probabilité.

12. Pour l’atome d’hydrogène, quelle expression donne l’énergie du niveau principal nn ?

En=Ryn2E_n=\frac{Ry}{n^2}
En=Ryn2E_n=-\frac{Ry}{n^2}
En=Ryn2E_n=-Ry\,n^2
En=Ryn2E_n=Ry\,n^2

$$E_n=-\frac{Ry}{n^2}$$

Explication

L’énergie d’un niveau lié de l’hydrogène est négative et varie comme l’inverse du carré de nn. Une énergie positive ou croissant avec n2n^2 ne décrit pas ces niveaux liés.

13. Que se produit-il lorsqu’un électron de l’hydrogène passe vers un niveau plus élevé, puis revient vers un niveau plus bas ?

Il émet de l’énergie puis en absorbe.
Il absorbe de l’énergie lors des deux transitions.
Il absorbe de l’énergie puis en émet.
Il émet de l’énergie lors des deux transitions.

Il absorbe de l’énergie puis en émet.

Explication

L’excitation exige un apport d’énergie, tandis que la désexcitation libère de l’énergie. L’émission n’est donc pas associée au passage initial vers un niveau plus élevé.

14. Un photon de longueur d’onde λ\lambda possède quelle énergie ?

εph=cλh\varepsilon_{ph}=\frac{c\lambda}{h}
εph=hcλ\varepsilon_{ph}=\frac{hc}{\lambda}
εph=hcλ\varepsilon_{ph}=hc\lambda
εph=hλc\varepsilon_{ph}=\frac{h\lambda}{c}

$$\varepsilon_{ph}=\frac{hc}{\lambda}$$

Explication

L’énergie du photon vérifie εph=hν\varepsilon_{ph}=h\nu et, avec ν=cλ\nu=\frac{c}{\lambda}, devient hcλ\frac{hc}{\lambda}. Une énergie proportionnelle à λ\lambda inverse la dépendance correcte entre longueur d’onde et fréquence.

15. Lors d’une transition atomique entre les niveaux initial ii et final ff, quelle relation donne l’énergie du photon émis ou absorbé ?

εph=Ef+Ei\varepsilon_{ph}=E_f+E_i
εph=EfEi\varepsilon_{ph}=E_f-E_i
εph=EfEi\varepsilon_{ph}=|E_f-E_i|
εph=EfEi\varepsilon_{ph}=\frac{E_f}{E_i}

$$\varepsilon_{ph}=|E_f-E_i|$$

Explication

L’énergie du photon correspond à la valeur absolue de la différence entre les deux niveaux. La différence non absolue pourrait être négative alors qu’une énergie de photon est positive.

16. Comment faut-il définir une orbitale atomique ?

Une région où la probabilité de présence de l’électron est élevée.
Une trajectoire précise suivie par l’électron autour du noyau.
Un chemin circulaire dont le rayon reste constant autour du noyau.
Une région où l’électron possède une vitesse parfaitement déterminée.

Une région où la probabilité de présence de l’électron est élevée.

Explication

Une orbitale est une zone de l’espace décrite par la fonction d’onde, associée à une forte probabilité de présence. Elle ne représente pas une trajectoire précise comme dans un modèle planétaire.

17. Quel rôle joue principalement le nombre quantique principal nn ?

Il détermine l’orientation spatiale de l’orbitale.
Il définit la forme angulaire de l’orbitale.
Il caractérise l’éloignement moyen et le volume de l’orbitale.
Il fixe le sens de rotation de l’électron.

Il caractérise l’éloignement moyen et le volume de l’orbitale.

Explication

Le nombre quantique principal indique principalement le niveau d’énergie, l’éloignement du noyau et le volume orbital. La forme dépend du nombre azimutal, tandis que l’orientation dépend du nombre magnétique.

18. Pour n=3n=3, quelles sont les valeurs possibles du nombre quantique azimutal ll ?

l=0,1,2,3l=0,1,2,3
l=1,2,3l=1,2,3
l=0,1,2l=0,1,2
l=3,2,1,0,1,2,3l=-3,-2,-1,0,1,2,3

$$l=0,1,2$$

Explication

Pour une valeur donnée de nn, le nombre ll prend les entiers de 00 à n1n-1. Ainsi, pour n=3n=3, les valeurs possibles sont 00, 11 et 22.

19. Pour une orbitale caractérisée par l=2l=2, quelles sont les valeurs possibles de mlm_l ?

ml=2,1,0,+1,+2m_l=-2,-1,0,+1,+2
ml=1,0,+1m_l=-1,0,+1
ml=2,+2m_l=-2,+2
ml=0,+1,+2m_l=0,+1,+2

$$m_l=-2,-1,0,+1,+2$$

Explication

Le nombre magnétique prend toutes les valeurs entières comprises entre l-l et +l+l. Pour l=2l=2, cela donne cinq valeurs, de 2-2 à +2+2.

20. Quels principes gouvernent l’occupation des orbitales à l’état fondamental ?

Le remplissage énergétique, l’exclusion de Pauli et la règle de Hund.
L’exclusion de Pauli, la relativité et la conservation du spin total.
La règle de Klechkowski, la conservation de la charge et la règle de Hund.
La règle de Hund, la conservation de la masse et la règle de Klechkowski.

Le remplissage énergétique, l’exclusion de Pauli et la règle de Hund.

Explication

La configuration fondamentale résulte du remplissage par énergie croissante, du principe d’exclusion de Pauli et de la règle de Hund. Les autres propositions remplacent l’un de ces principes par une règle qui ne gouverne pas directement ce remplissage.

21. Selon la règle de Klechkowski, comment compare-t-on deux sous-niveaux lorsque leurs valeurs de n+ln+l sont égales ?

Le sous-niveau possédant le plus grand nombre d’orbitales est rempli en premier.
Le sous-niveau de plus grand nn est rempli en premier.
Le sous-niveau de plus petit nn est rempli en premier.
Le sous-niveau possédant le plus petit nombre d’électrons est rempli en premier.

Le sous-niveau de plus petit $$n$$ est rempli en premier.

Explication

La règle de Klechkowski utilise d’abord n+ln+l, puis départage une égalité en choisissant le plus petit nn. Le nombre d’orbitales ou d’électrons ne constitue pas le second critère de cette règle.

22. Dans l’ordre de remplissage usuel, quel sous-niveau vient immédiatement après 4s4s ?

4p4p
5s5s
3d3d
3p3p

$$3d$$

Explication

L’ordre usuel place 3d3d juste après 4s4s, avant 4p4p et 5s5s. Cette succession fait partie de l’ordre énergétique de remplissage des sous-niveaux.

23. Quels électrons sont appelés électrons de valence ?

Les électrons les plus proches du noyau responsables de la masse atomique.
Les électrons ayant le spin le plus élevé dans chaque sous-niveau.
Les électrons internes participant principalement à la stabilité du noyau.
Les électrons externes participant notamment aux liaisons et à l’ionisation.

Les électrons externes participant notamment aux liaisons et à l’ionisation.

Explication

Les électrons de valence occupent les couches externes et interviennent notamment dans les liaisons chimiques et l’ionisation. Les électrons internes sont davantage liés au noyau et ne correspondent pas à cette définition.

24. Quelle innovation Mendeleïev a-t-il introduite dans sa classification de 1869 pour tenir compte d’éléments encore inconnus ?

Il a supprimé les éléments dont les propriétés étaient incertaines
Il a regroupé les éléments selon leur état physique
Il a classé les éléments par nombre d’électrons de valence
Il a laissé des cases vides afin de prévoir ces éléments

Il a laissé des cases vides afin de prévoir ces éléments

Explication

Mendeleïev a laissé des cases vides pour signaler la place d’éléments qui n’avaient pas encore été découverts. Les premières classifications reposaient davantage sur des propriétés déjà observées et ne prévoyaient pas ainsi les éléments manquants.

25. Quelle découverte a confirmé les prédictions de Mendeleïev en remplissant des cases situées sous l’aluminium et sous le silicium ?

La découverte de l’hydrogène et de l’hélium
La découverte du sodium et du magnésium
La découverte du technétium et du prométhium
La découverte du gallium et du germanium

La découverte du gallium et du germanium

Explication

Le gallium et le germanium ont été découverts ultérieurement aux positions prévues sous l’aluminium et le silicium. Le technétium et le prométhium constituent un autre cas d’éléments radioactifs synthétisables.

26. Quel fait caractérise la construction de la classification proposée par Mendeleïev en 1869 ?

Les cases occupées ont été limitées aux éléments présents dans la nature
Des cases vides ont été conservées pour des éléments à découvrir
Les éléments radioactifs ont été placés dans une série indépendante
Les éléments connus ont été rangés selon leur configuration électronique

Des cases vides ont été conservées pour des éléments à découvrir

Explication

En 1869, Mendeleïev a volontairement laissé des cases vides afin de prévoir l’existence d’éléments encore inconnus. La configuration électronique et la distinction entre éléments naturels et radioactifs ne constituaient pas le principe décrit ici.

27. Pourquoi les premières classifications des éléments présentaient-elles des décalages périodiques inexpliqués ?

Elles mélangeaient la température de fusion et la densité
Elles tentaient de combiner la réactivité et la masse
Elles ordonnaient les éléments selon leur origine géologique
Elles associaient la couleur des éléments à leur conductivité

Elles tentaient de combiner la réactivité et la masse

Explication

Les premières classifications regroupaient les éléments selon leur réactivité et leur masse, ce qui produisait certains décalages périodiques difficiles à expliquer. Les autres couples de propriétés ne correspondent pas aux critères historiques indiqués.

28. Qu’est-ce qui définit une famille chimique dans le tableau périodique ?

Une ligne d’éléments dont les noyaux contiennent le même nombre de neutrons
Une période d’éléments ayant tous le même nombre de couches électroniques
Une colonne d’éléments aux propriétés analogues et à la même configuration de valence
Un bloc d’éléments possédant la même masse atomique moyenne

Une colonne d’éléments aux propriétés analogues et à la même configuration de valence

Explication

Une famille rassemble des éléments d’une même colonne dont les propriétés chimiques sont analogues grâce à une configuration électronique de valence identique, à la valeur de nmaxn_{\max} près. Une période correspond plutôt à une ligne et se caractérise par le niveau principal le plus élevé occupé.

29. Quelle affirmation décrit correctement l’organisation des périodes et l’évolution du numéro atomique ZZ ?

Les périodes comptent successivement 2, 6, 10, 14 éléments, et ZZ reste constant dans chaque ligne
Le nombre d’éléments décroît avec la période, et ZZ augmente selon les colonnes de droite à gauche
Chaque période contient le même nombre d’éléments, et ZZ augmente de droite à gauche puis de bas en haut
Les périodes comptent successivement 2, 8, 8, 18 éléments ou davantage, et ZZ augmente de gauche à droite puis de haut en bas

Les périodes comptent successivement 2, 8, 8, 18 éléments ou davantage, et $$Z$$ augmente de gauche à droite puis de haut en bas

Explication

Le nombre d’éléments d’une période varie, selon les périodes, comme 2, 8, 8, 18 ou davantage, tandis que le numéro atomique augmente de gauche à droite puis de haut en bas. La constance du nombre d’éléments et les directions inversées sont donc incorrectes.

30. Quelle association entre un bloc électronique et son nombre de colonnes est correcte ?

Le bloc ss compte 14 colonnes, le bloc pp 6, le bloc dd 2 et le bloc ff 10
Le bloc ss compte 2 colonnes, le bloc pp 6, le bloc dd 10 et le bloc ff 14
Le bloc ss compte 6 colonnes, le bloc pp 2, le bloc dd 14 et le bloc ff 10
Le bloc ss compte 2 colonnes, le bloc pp 10, le bloc dd 6 et le bloc ff 14

Le bloc $$s$$ compte 2 colonnes, le bloc $$p$$ 6, le bloc $$d$$ 10 et le bloc $$f$$ 14

Explication

Les blocs correspondent au remplissage des sous-niveaux et possèdent respectivement 2 colonnes pour ss, 6 pour pp, 10 pour dd et 14 pour ff. Le bloc ff ne doit pas être confondu avec les 18 colonnes généralement représentées dans le tableau principal.

31. Un élément possède une configuration électronique dont le plus grand nombre quantique principal est n=3n=3 et appartient au bloc pp avec 5 électrons de valence. Quelle information peut-on déduire ?

Il se trouve dans la troisième colonne et en période correspondant à cinq électrons de valence
Il se trouve en troisième période et dans la colonne correspondant à cinq électrons de valence
Il se trouve en cinquième période et dans la colonne correspondant à trois électrons de valence
Il se trouve en troisième période et dans la colonne correspondant à trois niveaux électroniques occupés

Il se trouve en troisième période et dans la colonne correspondant à cinq électrons de valence

Explication

La plus grande valeur de nn indique la période, donc l’élément appartient à la troisième période. Dans les blocs ss et pp, le numéro de colonne est relié au nombre d’électrons de valence, ici cinq.

32. Comment évolue le rayon atomique dans le tableau périodique lorsqu’on descend dans une colonne et lorsqu’on avance de gauche à droite dans une période ?

Il diminue dans les deux directions étudiées.
Il diminue dans une colonne et augmente dans une période.
Il augmente dans une colonne et diminue dans une période.
Il augmente dans les deux directions étudiées.

Il augmente dans une colonne et diminue dans une période.

Explication

Le rayon atomique augmente vers le bas à cause de l’ajout de couches électroniques et diminue vers la droite dans une période. La tendance inverse concerne globalement l’énergie de première ionisation, ce qui peut créer une confusion entre les deux propriétés.

33. Quelle transformation définit la première ionisation d’un atome gazeux ?

Le partage d’un électron entre deux atomes, avec formation d’une molécule.
La perte d’un électron de valence par un atome, avec formation d’un cation gazeux.
La perte d’un proton par un noyau, avec formation d’un isotope.
La capture d’un électron par un atome, avec formation d’un anion gazeux.

La perte d’un électron de valence par un atome, avec formation d’un cation gazeux.

Explication

La première ionisation retire un électron de valence à un atome gazeux et produit un cation gazeux; l’énergie associée est positive. La capture d’un électron correspond plutôt à l’affinité électronique.

34. Quelle évolution décrit correctement l’énergie de première ionisation dans le tableau périodique ?

Elle diminue vers le bas d’une colonne et diminue vers la droite d’une période.
Elle diminue vers le bas d’une colonne et augmente vers la droite d’une période.
Elle augmente vers le bas d’une colonne et diminue vers la droite d’une période.
Elle augmente vers le bas d’une colonne et augmente vers la droite d’une période.

Elle diminue vers le bas d’une colonne et augmente vers la droite d’une période.

Explication

L’énergie de première ionisation diminue lorsqu’on descend dans une colonne et augmente généralement de gauche à droite dans une période. Cette évolution est globalement opposée à celle du rayon atomique, et non identique à celle-ci.

35. Que désigne l’affinité électronique d’un atome neutre en phase gazeuse ?

L’énergie requise lorsqu’un électron est retiré de l’atome.
L’énergie libérée lorsqu’un électron se fixe à l’atome.
L’énergie requise lorsqu’un atome partage un électron.
L’énergie libérée lorsqu’un proton quitte le noyau.

L’énergie libérée lorsqu’un électron se fixe à l’atome.

Explication

L’affinité électronique correspond à l’énergie libérée lors de la fixation d’un électron sur un atome neutre gazeux, avec une valeur comptée positivement par convention. Le retrait d’un électron relève de l’énergie de première ionisation.

36. Laquelle de ces espèces appartient à la même série isoélectronique que O2\mathrm{O^{2-}} et F\mathrm{F^-} ?

Mg2+\mathrm{Mg^{2+}}, car elle possède douze électrons.
Ne+\mathrm{Ne^+}, car elle possède neuf électrons.
Na+\mathrm{Na^+}, car elle possède également dix électrons.
Na\mathrm{Na}, car elle possède le même nombre de protons.

$$\mathrm{Na^+}$$, car elle possède également dix électrons.

Explication

O2\mathrm{O^{2-}}, F\mathrm{F^-} et Na+\mathrm{Na^+} possèdent chacun dix électrons et la configuration 1s22s22p61s^2 2s^2 2p^6. Le même nombre de protons caractérise une relation isotopique, pas une relation isoélectronique.

37. Par quel moyen les atomes des blocs s et p tendent-ils à atteindre une configuration électronique stable de gaz noble ?

En transformant systématiquement leurs protons en neutrons dans le noyau.
En conservant leurs électrons tout en augmentant leur nombre de couches.
En gagnant des neutrons afin de modifier leur masse atomique.
En perdant, captant ou partageant des électrons selon la situation chimique.

En perdant, captant ou partageant des électrons selon la situation chimique.

Explication

Ces atomes peuvent atteindre une configuration de gaz noble en perdant ou captant des électrons, ou en les partageant dans des liaisons chimiques. Les changements de protons ou de neutrons concernent le noyau et ne constituent pas le mécanisme décrit.

38. Quel ion est le plus attendu pour un élément de configuration de valence ns2np5ns^2np^5 ?

Un cation X2+\mathrm{X^{2+}}.
Un anion X2\mathrm{X^{2-}}.
Un cation X+\mathrm{X^+}.
Un anion X\mathrm{X^-}.

Un anion $$\mathrm{X^-}$$.

Explication

Une configuration ns2np5ns^2np^5 est à un électron d’une configuration stable de gaz noble; l’atome tend donc à capter un électron et à former X\mathrm{X^-}. Les cations positifs sont les formes préférentielles des alcalins et des alcalino-terreux.

39. Que mesure l’électronégativité d’un atome engagé dans une liaison chimique ?

Son aptitude à perdre un neutron lors d’une transformation nucléaire.
Sa tendance à attirer ou à céder un électron à un autre atome.
Son énergie nécessaire pour convertir un isotope en ion.
Son nombre total de protons et de neutrons dans le noyau.

Sa tendance à attirer ou à céder un électron à un autre atome.

Explication

L’électronégativité quantifie la tendance d’un atome à attirer ou à céder un électron à un autre atome. Le nombre de nucléons décrit la composition du noyau et ne mesure pas cette tendance électronique.

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De quoi est constitué un atome ?

Un atome est formé d'un noyau positif et d'électrons négatifs.

Quelle est la formule liant nombre de masse, protons et neutrons ?

A=Z+NA=Z+N relie nombre de masse, protons et neutrons.

Que représente le numéro atomique Z ?

Le numéro atomique Z est le nombre de protons du noyau.

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