Bienvenue
Tout ce que vous pouvez voir, toucher, sentir ou goûter provient des atomes.
Votre corps. L'air. L'écran sur lequel vous lisez ceci. L'étoile la plus lointaine.
Les atomes sont si petits qu'une seule goutte d'eau contient plus d'atomes qu'il n'y a d'étoiles dans l'univers observable.
Dans cette leçon, nous allons zoomer : très loin : pour découvrir ce que sont les atomes, comment ils se comportent et pourquoi les comprendre débloque toute la chimie.
Échauffement
Avant de commencer, laissez libre cours à votre imagination.
Anatomie de l'atome
Les parties d'un atome
Chaque atome possède trois types de particules :
Protons : chargés positivement, situés dans le noyau (centre)
Neutrons : sans charge, également situés dans le noyau
Électrons : chargés négativement, en orbite autour du noyau dans un nuage électronique
Le noyau est incroyablement petit par rapport à l'atome entier. Si un atome avait la taille d'un stade de football américain, le noyau serait un bilboquet sur la ligne des 50 yards. Les électrons seraient des moucherons bourdonnant autour des sièges supérieurs.
Voici le fait clé : le nombre de protons définit l'élément auquel appartient un atome. Ce nombre est appelé nombre atomique.
Chaque atome d'hydrogène possède exactement 1 proton. Chaque atome de carbone en possède exactement 6. Chaque atome d'or en possède exactement 79.
Modifiez le nombre de protons et vous changez entièrement l'élément.
Qu'est-ce qui définit un élément ?
L'or possède 79 protons. Le fer en possède 26. Ils ont un aspect différent, une sensation différente et se comportent différemment.
Mais ils ne sont tous deux que des ensembles de protons, de neutrons et d'électrons.
La carte de Mendeleïev
La feuille de triche la plus puissante de la science
En 1869, un chimiste russe nommé Dmitri Mendeleev a fait quelque chose de brillant. Il a écrit les éléments connus sur des cartes & les a classés par poids atomique.
Il a remarqué que les éléments aux propriétés similaires apparaissaient à des intervalles réguliers : un motif périodique.
Il les a organisés dans un tableau avec des lignes (périodes) & des colonnes (groupes).
Le coup de génie : Mendeleev a laissé des espaces vides. Il a prédit que des éléments non découverts rempliraient ces espaces : 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 un nouveau niveau d'énergie électronique qui se remplit.
Groupes (colonnes) : Les éléments de la même colonne ont le même nombre d'électrons de valence : c'est pourquoi ils se comportent de manière similaire.
Le tableau se divise approximativement en métaux (à gauche et au 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, ils réagissent donc presque jamais avec quoi que ce soit. Ce sont les solitaires du tableau périodique.
Modèles 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 très réactifs qui adorent capter les électrons d'autres atomes.
Comment les atomes se connectent
Pourquoi les atomes forment-ils des liaisons
La plupart des atomes ne sont pas stables à l'état isolé. Ils cherchent à avoir une couche électronique externe complète : comme celle des gaz nobles.
Pour y parvenir, les atomes se lient aux 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 souhaite perdre. Le chlore possède 7 électrons externes et en veut 1 de plus. Le sodium cède son électron au chlore. Désormais, les deux ont des couches externes complètes : mais le sodium est chargé positivement (il a perdu un électron) et le chlore est chargé négativement (il en a gagné un). Les charges opposées s'attirent et se verrouillent ensemble.
Liaisons covalentes : les atomes partagent des électrons.
L'eau (H₂O) fonctionne ainsi. L'oxygène a besoin de 2 électrons de plus. Chaque hydrogène en a 1 à partager. L'oxygène partage donc ses électrons avec deux hydrogènes. Personne ne renonce à 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
Lorsque vous plongez un cristal de sel dans un verre d'eau, il disparaît. Le solide se désintègre et les ions sodium et chlore se dispersent 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 réorganisent leurs liaisons pour former de nouvelles substances.
Les matières de départ sont appelées 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 conservation de la masse. Chaque atome qui entre doit sortir : simplement réorganisé.
Les réactions peuvent être exothermiques (libèrent de l'énergie : feu, explosions, poches de chaleur) ou endothermiques (absorbent de l'énergie : poches de froid, photosynthèse, cuisson d'un œuf).
La chimie est partout :
- La rouille : fer + oxygène → oxyde de fer. Lente, exothermique.
- La combustion : combustible + oxygène → dioxyde de carbone + eau. Rapide, très exothermique.
- La photosynthèse : dioxyde de carbone + eau + lumière solaire → glucose + oxygène. Endothermique : la plante stocke l'énergie du soleil dans les liaisons chimiques.
Chacun de ces phénomènes n'est que des atomes rompant de vieilles liaisons et en formant de nouvelles.
La 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 c'est une réaction chimique à part entière.
L'équation chimique est : 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃
Cela se lit ainsi : 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 à l'intérieur d'un laboratoire de chimie
La chimie n'est pas seulement quelque chose qui se passe dans des béchers. Elle se produit autour de vous, en permanence.
Cuisine : Lorsque vous faites brunir de la viande ou griller du pain, il s'agit de la réaction de Maillard : les acides aminés et les sucres se réorganisent en des centaines de nouveaux composés aromatiques.
Médecine : Chaque médicament est une molécule conçue pour s'insérer dans un récepteur spécifique de votre corps, comme une clé dans une serrure.
Matériaux : L'écran sur lequel vous lisez ceci existe grâce aux chimistes qui 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 circuler les électrons de part et d'autre entre les électrodes.
Votre corps : En ce moment même, les enzymes de vos cellules catalysent des milliers de réactions chimiques par seconde : décomposition de la nourriture, construction des protéines, copie de l'ADN.
Chaque matériau, chaque médicament, chaque technologie remonte à la formation de liaisons entre atomes.
À vous de jouer
Relier la chimie à votre monde
Vous connaissez désormais les atomes, les éléments, les liaisons et les réactions. Vous disposez du vocabulaire pour décrire la composition des choses et la raison de leur comportement.