La chimie à partir de zéro

La chimie à partir de zéro

Mis à jour le jeudi 5 décembre 2013
Les bases de la chimie

Atomes et molécules

Vous avez certainement déjà entendu parler des atomes et des molécules. Peut-être même savez-vous déjà plus ou moins ce que c'est.

En tout cas, je peux vous dire que sans ces minuscules éléments que sont les atomes et les molécules, nous ne serions pas grand chose ! Alors mettons-les à l'honneur dans ce chapitre : plongeons dans la matière, au cœur même de celle-ci... Suivez le guide !

Un monde très petit

Vous êtes-vous déjà demandé comment était faite la matière ? Pourquoi est-ce qu'il y a du bois, du fer, de l'eau, et tant de choses différentes ?

Je vois que vous ne tenez plus en place, alors je ne vais pas vous faire patienter plus longtemps : la matière est constituée de molécules et d'atomes.

En fait, vous pouvez imaginer que tout ce qui vous entoure est fait de "petites boules" qui se tiennent la main. Bon, ok, une boule n'a pas de mains, mais c'est pour illustrer.
Ces petites boules qui se lient les unes aux autres, ce sont les fameuses molécules. Et elles sont très très très très (...) trèèèèèèès petites, donc arrêtez de regarder votre chaise comme ça, vous ne verrez pas ses molécules à l'œil nu. :D

Et les atomes alors ? Eh bien figurez-vous qu'ils sont encore plus petits qu'une molécule car les molécules sont formées d'atomes.

Donc dans de l'eau (comme dans n'importe quelle autre chose), vous avez des molécules elles-mêmes constituées d'atomes :

Constitution de l'eau

Donc en bref :

  • On a une matière (l'eau, le bois,...).

  • On zoome dessus et PAF ça fait des chocapics : on voit les molécules.

  • On zoome sur les molécules et là on voit les atomes. Nous remarquons deux "types" d'atomes différents : un qui s'appelle oxygène (représenté en rouge) et deux autres identiques nommés hydrogène (représentés en blanc).

Les modèles atomiques

Un atome fait environ 0,0000000001 mètre, c'est dix millions de fois plus petit qu'un millimètre ! :o

Tiens, et qu'est-ce qu'on peut voir lorsqu'on zoome sur un atome ?

Très bonne question !
Nous allons y répondre en analysant trois modèles atomiques, du plus ancien au plus récent. Un modèle, c'est quelque chose qu'on a imaginé grâce à des expériences et à l'observation de phénomènes, mais dont on n'a pas pu démontrer l'exactitude.

Le modèle de Dalton

Le premier modèle intéressant pour la science moderne a été imaginé par Dalton au début du XIX (= 19) ème siècle et reprenait les concepts suivants :

  • La matière est composée de minuscules particules, appelées atomes et qui sont indivisibles (on ne peut pas les diviser, les "casser" ; ils restent entiers).

  • Les atomes différents se distinguent par leur masse : chaque atome a une masse propre. Si un atome A a la même masse qu'un atome B, alors les atomes A et B sont identiques.

  • Les atomes s'associent dans des rapports simples pour former des molécules constituant la matière. C'est-à-dire qu'on ne peut pas avoir 1/2 atome qui s'associe avec 3/4 d'un autre atome, car les atomes doivent rester entiers. Un atome peut s'associer avec 2, 3, 4 ou même 100 autres, du moment que tous les atomes restent entiers.

Pour Dalton, l'atome est donc une sphère compacte et indivisible constituant les molécules.

Remarquez que par rapport à ce que je vous ai expliqué au début de ce chapitre, Dalton ne nous apprend pas grand chose.

Le modèle de Thomson

Vers 1897, Thomson introduit des charges électriques dans son modèle atomique. Il ajoute des particules chargées négativement dans l'atome : les électrons. Cependant, il considère que l'atome doit être électriquement neutre et envisage alors que le reste de la sphère est chargé positivement.

Charge négative ? Je ne comprends pas... Qu'est-ce que c'est ?

Vous connaissez les aimants ayant deux côtés différents (appelés pôle nord et pôle sud) ? Un côté est négatif ( - ), et l'autre est positif ( + ). Lorsque vous approchez deux aimants, ils peuvent s'attirer ou se repousser. Ils s'attirent si les côtés des deux aimants sont différents, sinon ils se repoussent. Eh bien c'est la même chose pour les charges négatives et positives : les +/+ et les -/- se repoussent, et les +/- s'attirent. Un petit schéma pour vous aider à comprendre :

Attraction et répulsion

En bref, l'atome qu'a imaginé Thomson est une sphère chargée positivement en électricité dans laquelle sont éparpillées des particules de charge négative : les électrons.

Modèle atomique de Thomson

Le modèle de Rutherford et de Chadwick

Modèle et expérience de Rutherford

En 1911, Rutherford fait une expérience qui va lui permettre d'imaginer son modèle atomique. Il envoie des particules α (alpha) sur une fine feuille d'or, et observe grâce à un écran fluorescent les particules après leur passage au travers de la feuille d'or. Nous verrons plus tard quelle est la nature exacte de ces particules α, mais il est inutile de s'en soucier pour le moment. Voici un schéma de cette expérience :

Expérience de Rutherford

Rutherford remarque que la plupart des particules α sont peu ou pas déviées. Or, à cette époque, on utilise le modèle atomique de Thomson, celui de la sphère compacte. Notre cher Rutherford doit utiliser un nouveau modèle pour expliquer ce qu'il observe, car les particules α ne peuvent pas passer au travers d'un atome imaginé par Thomson, vu qu'il s'agit d'une sphère compacte. Si vous envoyez un rayon laser sur une boule de pétanque, la lumière de ce rayon ne traverse pas la boule, si ?

Rutherford imagine alors que l'atome est constitué d'électrons tournant autour de protons. Les électrons, nous les connaissons déjà : ce sont les particules de charge négative utilisées dans le modèle de Thomson. Rien de nouveau jusque-là.
Ce qui est nouveau, ce sont les protons. Ce sont des particules de charge positive, contrairement aux électrons. Et pour rappel, nous avons vu que les charges positives et négatives s'attirent. Donc si les protons sont entourés d'électrons, les électrons tournent autour des protons. C'est un peu comme la Lune qui tourne autour de la Terre : imaginez que nous sommes des protons, et la Lune un électron.
Nous avons donc un ensemble de protons entouré d'électrons.

Mais entre les deux, qu'y a-t-il au juste ?

Eh bien rien. Zéro, nothing, nada, que dalle. Du vide ! Et c'est justement ça qui permet d'expliquer les résultats de l'expérience. En effet, lorsque les particules α traversent le vide de l'atome, elles ne sont pas déviées.
Allez, je vous illustre tout ça, car ça ne doit pas être très clair toutes ces nouvelles choses...

Confrontation des modèles de Rutherford et de Thomson

Analysons ce schéma. Avec l'atome de Thomson, les particules α se heurtent à un mur et ne peuvent pas passer. Par contre, l'atome de Rutherford explique les résultats de l'expérience : seule une petite partie des rayons (numéro 3 sur le dessin) est réfléchie. Cependant, cela reste rare car comme je viens de vous le dire, les protons occupent très peu de place au sein de l'atome.

L'autre partie (rayons 1 et 2) passe quant à elle au travers de l'atome. Remarquez que le rayon 2 est légèrement dévié. Cela est dû au fait qu'il passe près des protons. Il faut savoir que les particules α sont chargées positivement (nous verrons d'ailleurs plus tard quelle est leur nature). Les charges de même signe se repoussent, donc les protons (qui sont chargés +) repoussent les particules α (qui sont chargées + aussi). Par conséquent, les particules α passant trop près des protons sont légèrement déviées. Notez que les particules α ne sont pas déviées par les électrons car ils sont trop petits et trop légers.

Chadwick ajoute les neutrons

Courage, on a presque fini !
J'ai juste encore une particule à vous faire découvrir : le neutron.
Le neutron a été découvert par Chadwick en 1932 (oui je sais, on s'en moque des dates, mais ça fait classe :soleil: ). Il s'agit d'une particule électriquement neutre. C'est-à-dire sans charge : elle n'est ni positive, ni négative, c'est pour ça qu'on l'appelle neutron.

Les neutrons sont situés avec les protons au cœur de l'atome. Neutrons et protons s'associent donc pour former ce qu'on appelle le noyau de l'atome. On dit aussi que le noyau est formé de nucléons (les protons et les neutrons).

Au final, et c'est ce modèle atomique que nous utiliserons pour l'instant, l'atome est constitué d'un noyau formé de nucléons (protons et neutrons), ainsi que d'électrons qui gravitent autour de ce noyau.

Modèle atomique de Rutherford - Chadwick

Retenez aussi qu'on peut noter les électrons e- (- car charge négative), les protons p+ (+ car charge positive) et les neutrons n0 (zéro car pas de charge).

Et après ?

Le modèle de Rutherford-Chadwick ne permet pas d'expliquer totalement le fonctionnement de certains phénomènes. C'est pourquoi les scientifiques ont émis de nouvelles hypothèses quant à la constitution de l'atome. Une théorie s'est finalement imposée et est très utilisée aujourd'hui : la mécanique quantique.

Dans cette théorie, le nombre et la place des nucléons (protons et neutrons) restent inchangés, ainsi que le nombre d'électrons. Par contre, les électrons ne sont plus considérés comme des particules ponctuelles gravitant autour du noyau comme une planète le fait autour de son étoile. Et croyez-moi, je peux vous assurer que ça a beaucoup de conséquences !

La mécanique quantique étant une théorie complexe, j'utiliserai le modèle de Rutherford-Chadwick dans ce cours. Celui-ci étant beaucoup plus simple, il vous permettra une meilleure visualisation des choses. Cependant, pour les plus curieux d'entre vous, une introduction à la mécanique quantique sera quand même faite au tout dernier chapitre du cours.

Synthèse

Regardez ce schéma et vérifiez que vous le comprenez.

Constitution de la matière

Si vous comprenez ce schéma, alors vous avez compris l'essentiel de ce que je voulais vous apprendre dans ce chapitre.

Quelques explications pour ceux qui en ont besoin. Nous allons analyser l'illustration en partant du plus grand, la matière elle-même (à gauche) jusqu'au plus petit, l'atome (à droite).

A : Nous avons de l'eau.
B : L'eau est constituée de molécules.
C : Les molécules d'eau sont constituées d'atomes différents : un atome d'oxygène (en rouge) et 2 d'hydrogène (en blanc).
D : On voit que l'atome d'oxygène (rouge) est constitué de protons et de neutrons formant le noyau, et d'électrons gravitant autour du noyau.
E : L'atome d'hydrogène (blanc), lui, est différent de celui d'oxygène (rouge). Il est constitué d'un seul proton et d'un seul électron. Il ne contient pas de neutron.

Exercices

Exercice 1 : Vrai ou faux ?
  1. La molécule est constituée d'atomes.
    Vrai. J'espère que vous n'avez pas dit que c'était faux, sinon c'est que vous n'avez vraiment pas bien compris le début de ce chapitre et il faut le relire.

  2. Un atome est constituée d'un noyau et d'électrons.
    Vrai. Le noyau est l'ensemble des protons et des neutrons. Les électrons tournent autour du noyau, et le tout forme l'atome.

  3. Les protons et les électrons s'attirent.
    Vrai. Les particules de charges opposées s'attirent, celles de même charge se repoussent. Les électrons et les protons sont de charge opposée (électron négatif, proton positif).

  4. Les neutrons sont de charge positive.
    Faux. Les neutrons n'ont pas de charge. Les particules de charge positive sont les protons, celles de charge négative sont les électrons.

  5. Le noyau d'un atome est constitué de nucléons.
    Vrai. Nucléon est le nom qu'on donne aux éléments du noyau : protons et neutrons.

Exercice 2 :

Dessinez deux molécules de sel en respectant ces conditions :

  • Une molécule de sel est constituée de deux atomes différents qu'on nomme sodium et chlore.

  • Coloriez l(es) atome(s) de sodium en violet et l(es) atome(s) de chlore en vert.

  • Un atome de sodium est environ deux fois plus grand qu'un atome de chlore.

Molécule de NaCl (sel)

Notez que les deux molécules dessinées ci-dessus sont identiques bien qu'elles soient orientées différemment.

Exercice 3 :

Sachant que :

  • un atome d'oxygène est constitué de 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons ;

  • un atome de lithium est constitué de 3 protons, 4 neutrons et 3 électrons ;

  • une molécule d'oxyde de lithium possède 3 atomes : 2 de lithium et un d'oxygène.

Combien y a-t-il de protons, de neutrons, et d'électrons dans 5 molécules d'oxyde de lithium ?

70 protons, 80 neutrons et 70 électrons.

Dans une molécule d'oxyde de lithium, nous avons 2 atomes de lithium et un atome d'oxygène. Un atome de lithium contient 3 protons, et un atome d'oxygène en contient 8. Pour une molécule, nous avons donc 2×3 + 1×8 = 14 protons (le 2×3 vient de "deux atomes de lithium composés de 3 protons chacun", et le 1×8 vient de "un atome d'oxygène composé de 8 protons"). Pour 5 molécules, nous avons donc 14×5 = 70 protons.

En faisant la même chose pour les neutrons, nous avons : 2×4 + 1×8 = 16 neutrons pour une molécule (le 2×4 vient de "deux atomes de lithium composés de 4 neutrons chacun", et le 1×8 vient de "un atome d'oxygène composé de 8 neutrons"). Donc 16×5 = 80 neutrons pour 5 molécules.

Et pour les électrons, nous avons 2×3 + 1×8 = 14 électrons par molécule. Donc 14×5 = 70 électrons pour 5 molécules.

Ouf ! Ce chapitre n'était pas forcément facile, et était bourré de théorie !

Mais il est ultra-important. Je me répète, je sais, mais si vous n'avez pas compris, il faut absolument relire ce chapitre.

Maintenant que vous savez ce que sont les protons, les neutrons et les électrons, pouvez-vous me dire combien il y en a dans un atome de carbone ? Non ? C'est normal, ces informations se trouvent dans ce qu'on appelle le tableau périodique.
Et ça tombe bien, car le prochain chapitre va justement nous apprendre à lire dans un tel tableau. La découverte des bases de la chimie continue !

L'auteur

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