Bienvenue
Tout ce que vous pouvez voir, toucher, sentir ou goûter provient d'atomes.
Votre corps. L'air. L'écran sur lequel vous lisez cela. L'étoile la plus lointaine.
Les atomes sont si petits qu'une 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 : et découvrir ce que sont les atomes, comment ils se comportent et pourquoi comprendre leur fonctionnalité déverrouille toute la chimie.
Réchauffement
Avant de plonger, commençons par votre imagination.
Anatomie de l'atome
Les parties de l'atome
Chaque atome possède 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 une nuée d'électrons
Le noyau est extrêmement petit par rapport à l'atome entier. Si un atome était de taille un stade de football, le noyau serait une bille sur la ligne des 50 yards. Les électrons seraient des mouches bourdonnant autour des hautes tribunes.
Voici le fait clé : le nombre de protons définit quel élément est un atome. Ce nombre est appelé le nombre atomique.
Chaque atome d'hydrogène a exactement 1 proton. Chaque atome de carbone en a exactement 6. Chaque atome d'or en a exactement 79.
Modifiez le nombre de protons et vous changez complètement l'élément.
Qu'est-ce qui fait un élément ?
L'or a 79 protons. L'acier en a 26. Ils se ressemblent, se sentent différents et se comportent différemment.
Mais ils sont tous deux simplement des collections de protons, de neutrons et d'électrons.
La carte de Mendeleev
La fiche de chevet la plus puissante en science
En 1869, un chimiste russe du nom de Dmitri Mendeleev a fait quelque chose de brillant. Il a écrit les éléments connus sur des cartes et les a rangés par masse atomique.
Il a remarqué que les éléments ayant des propriétés similaires apparaissaient à intervalles réguliers : un motif périodique.
Il les a rangés dans une table avec lignes (périodes) et colonnes (groupes).
La géniale idée : Mendeleev a laissé des espaces. Il a prédit que les éléments non découverts combleraient ces espaces : et il avait raison. Le gallium et le germanium ont été trouvés des années plus tard, correspondant presque parfaitement à ses prédictions.
Périodes (lignes) : Chaque ligne représente un nouveau niveau d'électrons.
Groupes (colonnes) : Les éléments de la même colonne ont le même nombre d'électrons externes : et c'est pourquoi ils se comportent de manière similaire.
La table est divisée en métaux (à gauche et au centre : brillants, conducteurs, malléables), non-métaux (à droite en haut : gaz, solides fragiles) et métalloïdes (le long de la ligne en escalier : des propriétés de chaque catégorie).
Et puis il y a les gaz nobles dans la colonne de droite : l'hélium, le néon, l'argon. Ils ont des couches d'électrons externes complètes, donc ils ne réagissent presque jamais avec quoi que ce soit. Ils sont les solitaires du tableau périodique.
Les motifs dans le tableau
Le lithium, le sodium et le potassium sont tous trois dans la colonne 1 du tableau périodique. Tous les trois sont des métaux mous qui réagissent violemment avec l'eau.
Le fluor, le chlore et le brome sont tous trois dans la colonne 17. Tous les trois sont des non-métaux hautement réactifs qui aiment attraper des électrons d'autres atomes.
Comment les atomes se connectent
Pourquoi les atomes se lient
La plupart des atomes ne sont pas stables seuls. Ils veulent une couche d'électrons externe complète : comme les gaz nobles l'ont.
Pour y parvenir, les atomes se lient avec d'autres atomes de deux manières principales:
Liens ioniques : un atome transfère des électrons à un autre.
Le sel de table (NaCl) est l'exemple classique. Le sodium a 1 électron externe qu'il veut perdre. Le chlorure a 7 électrons externe et veut en avoir 1 de plus. Le sodium donne son électron au chlorure. Maintenant, tous deux ont des couches d'électrons externes complètes : mais le sodium est chargé positivement (il a perdu un électron) et le chlorure est chargé négativement (il en a gagné un). Les charges opposées s'attirent, et ils se lient ensemble.
Liens covalents : les atomes partagent des électrons.
L'eau (H₂O) fonctionne de cette manière. L'oxygène a besoin de 2 électrons de plus. Chaque hydrogène en a un à partager. Donc, l'oxygène partage des électrons avec deux hydrogènes. Personne ne se sépare de quelque chose : 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 faites tomber un cristal de sel dans un verre d'eau, il disparaît. Le solide se brise et les ions sodium et chlorure 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 a lieu lorsque les atomes réarrangent leurs liaisons pour former de nouvelles substances.
Les matériaux de départ s'appellent réactifs. Les résultats s'appellent produits.
Une règle absolue : les atomes ne sont jamais créés ou détruits lors d'une réaction chimique. C'est la loi de la conservation de la matière. Chaque atome qui entre doit en sortir : simplement réarrangé.
Les réactions peuvent être exothermiques (libérer de l'énergie : feux, explosions, bâtons de menthol) ou endermiques (absorber de l'énergie : packs froids, photosynthèse, cuisson d'un œuf).
La chimie est partout :
- La rouille : fer + oxygène → oxyde de fer. Lent, 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.
Chaque une de ces réactions est simplement des atomes brisant des liaisons anciennes et formant de nouvelles.
La chimie de la rouille
Vous avez probablement vu de la rouille sur des voitures vieilles, des outils ou des clous. La rouille se forme lentement, mais c'est une réaction chimique authentique.
L'équation chimique est : 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃
Cela signifie : quatre atomes d'iron réagissent avec trois molécules d'oxygène pour produire deux unités d'oxyde de fer (de la 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 récipients. C'est ce qui se passe autour de vous, tout le temps.
La cuisson : Lorsque vous faites brunir de la viande ou toaster du pain, c'est la réaction de Maillard : les acides aminés et les sucres se réarrangent en plusieurs centaines de nouveaux composés de saveurs.
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 cela existe grâce aux chimistes qui ont réussi à fabriquer des cristaux liquides, des semi-conducteurs et des films de polymères.
Piles: Votre téléphone fonctionne avec une chimie au lithium : les atomes de lithium transportent des électrons de l'un à l'autre des électrodes.
Votre corps: En ce moment, des enzymes dans vos cellules catalysent des milliers de réactions chimiques par seconde : décomposition de la nourriture, construction de protéines, copie du ADN.
Chaque matériau, chaque médicament, chaque technologie remonte à des atomes formant des liaisons.
À votre tour
Reliez la chimie à votre monde
Vous savez maintenant des atomes, des éléments, des liaisons et des réactions. Vous avez le vocabulaire pour décrire ce que les choses sont faites et pourquoi elles se comportent de la manière qu'elles font.