Bienvenue
Tout ce que vous pouvez voir, toucher, sentir ou goûter vient des atomes.
Votre corps. L'air. L'écran sur lequel vous lisez ceci. L'étoile lointaine.
Les atomes sont si petits qu'une seule goutte d'eau contient plus d'atomes que d'étoiles dans l'univers observable.
Dans cette leçon, nous allons zoomer : très loin : et découvrir ce que les atomes sont, comment ils behave, et pourquoi les comprendre ouvre la porte à toute la chimie.
Échauffement
Avant de plonger dans le sujet, commençons par votre imagination.
Anatomie d'un atome
Les Parties d'un Atome
Chaque atome a trois types de particules :
Protons : chargés positivement, situés dans le noyau (centre)
Neutrons : sans charge, également dans le noyau
Électrons : chargés négativement, orbitant autour du noyau dans un nuage électronique
Le noyau est incroyablement petit par rapport à l'atome entier. Si un atome était de la taille d'un stade de football, le noyau serait une bille sur la ligne des 50 yards. Les électrons seraient des moucherons bourdonnant autour des gradins supérieurs.
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Voici le fait clé : le nombre de protons définit de quel élément un atome est fait. Ce nombre est appelé le numéro atomique. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
Chaque atome d'hydrogène a exactement 1 proton. Chaque atome de carbone a exactement 6. Chaque atome d'or a exactement 79. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
Changer le nombre de protons et vous changez complètement l'élément. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
Qu'est-ce qui définit un élément ? [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
L'or a 79 protons. Le fer a 26 protons. Ils ont une apparence différente, une sensation différente et un comportement différent. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
Mais ils ne sont tous les deux que des collections de protons, de neutrons et d'électrons. [BLOCK_TYPE SECTION/STEP]
La Carte de Mendeleïev
La Feuille de Triche la Plus Puissante en Science
En 1869, un chimiste russe nommé Dmitri Mendeleïev a eu une idée brillante. Il a écrit les éléments connus sur des cartes et les a classés par masse atomique.
Il a remarqué que les éléments ayant des propriétés similaires apparaissaient à intervalles réguliers : un motif périodique.
Il les a organisés dans un tableau avec des lignes (périodes) et des colonnes (groupes).
Le coup de génie : Mendeleïev a laissé des vides. Il a prédit que des éléments non découverts viendraient remplir ces vides : et il avait raison. Le gallium et le germanium ont été découverts des années plus tard, correspondant presque parfaitement à ses prédictions.
Périodes (lignes) : Chaque ligne représente une nouvelle couche électronique en cours de remplissage.
Groupes (colonnes) : Les éléments dans la même colonne ont le même nombre d'électrons externes : c'est pourquoi ils se comportent de manière similaire.
Le tableau se divise approximativement en métaux (gauche et centre : brillants, conducteurs, malléables), non-métaux (en haut à droite : gaz, solides cassants), et métalloïdes (le long de la ligne en escalier : propriétés des deux).
Et puis il y a les gaz nobles dans la colonne la plus à droite : hélium, néon, argon. Ils ont des couches électroniques externes complètes, donc ils réagissent presque jamais avec quoi que ce soit. Ils sont les solitaires du tableau périodique.
Motifs dans le tableau
Le lithium, le sodium et le potassium sont tous dans la colonne 1 du tableau périodique. Les trois sont des métaux mous qui réagissent violemment avec l'eau.
Le fluor, le chlore et le brome sont tous dans la colonne 17. Les trois sont des non-métaux hautement réactifs qui adorent arracher des électrons aux autres atomes.
Comment les atomes se connectent
Pourquoi les atomes forment-ils des liaisons
La plupart des atomes ne sont pas stables seuls. Ils veulent une couche électronique externe complète : comme celle des gaz rares.
Pour y parvenir, les atomes forment des liaisons avec d'autres atomes de deux manières principales :
Liaisons ioniques : un atome transfère des électrons à un autre.
Le sel de table (NaCl) est l'exemple classique. Le sodium possède 1 électron externe qu'il veut perdre. Le chlore possède 7 électrons externes et veut en recevoir un de plus. Le sodium donne son électron au chlore. Maintenant, les deux ont une couche électronique externe complète : mais le sodium est chargé positivement (a perdu un électron) et le chlore est chargé négativement (a gagné un électron). Les charges opposées s'attirent, et ils se lient ensemble.
Liaisons covalentes : les atomes partagent des électrons.
L'eau (H₂O) fonctionne de cette façon. L'oxygène a besoin de 2 électrons supplémentaires. Chaque hydrogène en a 1 à partager. Donc l'oxygène partage des électrons avec deux hydrogènes. Personne ne cède rien : ils coopèrent.
Les composés ioniques ont tendance à former des cristaux et à se dissoudre dans l'eau. Les composés covalents ont tendance à former des molécules : des unités individuelles comme H₂O ou CO₂.
Pourquoi le sel se dissout
Quand vous laissez tomber un cristal de sel dans un verre d'eau, il disparaît. Le solide se brise et les ions sodium et chlore se répandent dans l'eau.
Cela se produit parce que l'eau est une molécule polaire : l'extrémité oxygène est légèrement négative et les extrémités hydrogène sont légèrement positives.
Qu'est-ce qu'une réaction ?
Les réactifs deviennent des produits
Une réaction chimique se produit lorsque les atomes réarrangent leurs liaisons pour former de nouvelles substances.
Les matériaux de départ sont appelés réactifs. Les résultats sont appelés produits.
Une règle absolue : les atomes ne sont jamais créés ni détruits lors d'une réaction chimique. C'est la loi de la conservation de la masse. Chaque atome qui entre doit ressortir : simplement réarrangé.
Les réactions peuvent être exothermiques (libèrent de l'énergie : feux, explosions, chaufferettes) ou endothermiques (absorbent de l'énergie : poches de froid, photosynthèse, cuisson d'un œuf).
La chimie est partout :
- Rouille : fer + oxygène → oxyde de fer. Lente, exothermique.
- Combustion : carburant + oxygène → dioxyde de carbone + eau. Rapide, très exothermique.
- Photosynthèse : dioxyde de carbone + eau + lumière du soleil → glucose + oxygène. Endothermique : la plante stocke l'énergie du soleil dans des liaisons chimiques.
Chacune de ces réactions consiste simplement en des atomes qui rompent de vieilles liaisons et en forment de nouvelles.
Chimie de la rouille
Vous avez probablement vu de la rouille sur de vieilles voitures, des outils ou des clous. La rouille se forme lentement, mais il s'agit d'une véritable réaction chimique.
L'équation chimique est : 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃
Cela signifie : quatre atomes de fer réagissent avec trois molécules d'oxygène pour produire deux unités d'oxyde de fer (rouille).
La chimie dans votre vie
Vous vivez dans un laboratoire de chimie
La chimie n'est pas seulement quelque chose qui se produit dans des béchers. Elle se produit tout autour de vous, tout le temps.
Cuisine : Lorsque vous faites dorer de la viande ou toaster du pain, c'est la réaction de Maillard : des acides aminés et des sucres qui se réarrangent en centaines de nouveaux composés aromatiques.
Médecine : Chaque médicament est une molécule conçue pour s'adapter à un récepteur spécifique dans votre corps, comme une clé dans une serrure.
Matériaux : L'écran sur lequel vous lisez ceci existe parce que les chimistes ont découvert comment fabriquer des cristaux liquides, des semi-conducteurs et des films polymères.
Batteries : Votre téléphone fonctionne grâce à la chimie des ions lithium : les atomes de lithium font la navette avec les électrons entre les électrodes.
Votre corps : En ce moment même, les enzymes de vos cellules catalysent des milliers de réactions chimiques par seconde : décomposition des aliments, synthèse des protéines, copie de l'ADN.
Chaque matériau, chaque médicament, chaque technologie trouve son origine dans les atomes qui forment des liaisons.
À vous de jouer
Reliez la chimie à votre monde
Vous connaissez maintenant les atomes, les éléments, les liaisons et les réactions. Vous disposez du vocabulaire nécessaire pour décrire l'origine des choses et expliquer leur comportement.