Comprendre la chimie...

A tous les curieux, novices ou confirmés, qui viendront par ici.

Ce blog a pour but de faire découvrir de nombreux aspects de la chimie telle que je la vois et l'apprends.

Je prévois d'établir une échelle de niveaux pour les articles : du niveau 1, la toute base, au niveau 4, pour les confirmés. Je vous invite à lire les articles par catégorie (voir le menu de droite), pour découvrir tous les articles que vous considérez être de votre niveau.

Sans oublier toutes ces petites choses pas forcément "au programme" mais aident à comprendre la nature telle que nous la connaissons.

Vu que les explications c'est mieux quand c'est interactif, n'hésitez pas laisser des questions ou des réactions !

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A l'époque le problème se posait comme suit : bon, vous vous mettez devant votre motte de beurre/votre bûche/votre enclume et vous essayez de la couper en morceaux les plus petits possible, bien au-delà de ce que les yeux peuvent encore voir bien sûr. Jusqu'à quel point pouvez-vous la couper ?

Alors au départ il y avait deux théories :
1) on peut couper la matière à l'infini, en morceaux toujours et toujours et toujours plus petits
et
2) la matière est constituée de "grains" indivisibles, qu'on ne pourra pas diviser en deux.

La seconde, validée depuis longtemps, a installé le fondement de la chimie moderne : l'atome.
Atome vient du grec ατομος (atomos) qui signifie indivisible. Tous ne sont pas identiques, il existe un peu plus d'une centaine d'atomes connus, qui sont tous listés dans la classification périodique. Ils sont tous caractérisés par un nom et un symbole comportant une ou deux lettres, comme H pour l'hydrogène, C pour le carbone, Fe pour le fer, Au pour l'or.
Le diamètre d'un atome est compris entre 10pm (picomètre) et 1000pm selon la nature de l'atome... On pourrait donc aligner entre un et cent milliards d'atomes sur un mètre de long.

Sauf

qu'après il a été établi que les atomes étaient en réalité divisibles, composés d'un noyau et d'un nuage d'électrons qui tournent autour dudit noyau.
Le noyau représente plus de 99% de la masse de l'atome mais son rayon est de l'ordre de quelques femtomètres, soit un dix millième de la taille de l'atome entier.

Il est composé de deux particules différentes, nommées protons et neutrons, et est, comme mentionné précédemment, cerné d'électrons.

Les protons portent chacun une charge dite élémentaire +e (e = 1,6 x 10^-19 Coulomb) et chaque électron la charge équivalente négative : -e.

Les neutrons, comme leur nom l'indique, ne sont pas chargés.

Une règle absolue pour les atomes : ils sont toujours électriquement neutres. Mathématiquement, cela signifie que l'addition de toutes leurs charges est nulle ; ils doivent donc posséder autant de protons que d'électrons.

Un atome est donc défini par son numéro atomique (nombre de protons) et caractérisé par son nombre de masse (nombre de protons + neutrons). La nature de l'atome étant réellement définie par le seul numéro atomique, deux atomes de même nature peuvent ne pas avoir le même nombre de neutrons : ainsi, l'hydrogène H a toujours un seul proton, mais peut posséder 0 neutron (le plus souvent), 1 neutron (nommé deutérium), et 2 neutrons (tritium). Lire l'article sur les isotopes.

Tiens, une question ?

- Oui mais si les charges positives se repoussent, comment ça se fait que les protons tiennent ensemble dans un noyau ?

Bonne question, à laquelle je répondrai dans cet article (lien à venir).

Mais

les électrons qui doivent se répartir à l'intérieur d'une sphère selon des règles bien définies (lien à venir), sont pas toujours très contents de leur condition. Pour résumer, les électrons se sentent particulièrement bien quand ils sont une certaine quantité autour d'un atome : 0 (accessible au seul hydrogène), 2, 10, 18, 36 par exemple. Nous verrons plus tard pourquoi ces nombres (lien à venir).

Alors quand ils le peuvent (i.e : pas toujours mais quand même relativement souvent), ils bougent. Certains atomes ont besoin d'un électron de moins pour arriver à un de ces nombres idéaux, d'autres un électron de plus, et parfois même ils s'échangent à plus de deux pour arriver au consensus du nombre idéal pour chacun :

Oui alors vous deux il vous manque un électron chacun, moi j'en ai deux en trop, je vous en donne donc un chacun et on se sentira tous bien mieux après.

Mais vu qu'on ne donne pas le proton trop bien caché au milieu de l'atome avec l'électron, ça fait que l'électroneutralité mentionnée plus haut et absolue pour les atomes n'est plus respectée, et nos atomes se retrouvent reclassés en ions :

nommés cations lorsqu'ils ont donné des électrons et sont donc chargés +. Pour l'atome X on les appelle Xⁿ⁺, n étant le nombre de charge qu'ils ont perdues.

et anions lorsqu'ils ont pris des charges et sont donc chargés -, et appelés X^n-.

Et nous, qu'est-ce qu'on voit avec nos yeux de tout ça ?

Ben mettons du sel de table (ouais je n'aime pas le terme sel tout court parce qu'en chimie c'est comme si t'allais chez le boucher demander de la viande). En passant outre le caractère "iodé" du sel de table, même si j'y reviendrai (lien à venir), notre sel de table, donc, il s'appelle scientifiquement chlorure de sodium.

En fait dedans il y a du sodium (Na) qui a besoin de perdre 1 électron pour la configuration idéale, et du chlore (Cl), qui a besoin de gagner un électron pour sa configuration idéale à lui. Donc oui ces deux-là ils s'entendent bien.

Et voilà, vous avez une poudre composée de tout petits cristaux (lien à venir) de NaCl (comme les atomes, les molécules ont un nom et un symbole) liés par le saint partage d'électrons. Bienvenue dans le monde des molécules, ensemble d'atomes liés dans un ensemble aux propriétés spécifiques. L'eau est une molécule, composée de deux atomes d'hydrogène (qui ont besoin de chacun un électron) et un d'oxygène, donc nommée H₂O_.

Mais dès que vous les mettez dans l'eau de la casserole, à cause de ses étonnantes propriétés (lien à venir), ils divorcent et les ions Na⁺ et Cl^- vont chacun vivre leur vie. Vous évaporez toute l'eau ? Ils reviennent ensemble en poudre dans la casserole. Bah oui il n'y a plus d'eau, ça annule le divorce.

Mais y a des atomes qui se sont aussi liés à d'autres pour mettre en commun leurs électrons, mais qui sont si loin des positions parfaitement idéales (oui, il y a des positions moins parfaites que d'autres, rien n'est noir et blanc en chimie) qu'elles ne divorceront pas dans l'eau, et les liaisons persisteront. En fait cela dépend du type de liaison (lien à venir) que possède la molécule formée par la réunion des atomes.

NB : ce sont tout de même les assemblements qui ont des propriétés intéressantes et singulières. Je m'explique :

- lorsque l'on coupe le benzène en ses différents atomes, on perd toutes les propriétés spécifiques au benzène

- lorsque l'on coupe l'hydrogène en tous ses nucléons et électrons, de même pour l'atome d'hydrogène (acidité, etc.).

et ainsi de suite.

C'est une unité, au même titre que le gramme ou le mètre, qui mesure un nombre d'atomes, d'ions ou de molécules sans arriver à des nombres gigantesques dans la plupart des applications à notre échelle. Elle a a été créée pour un peu mieux se rendre compte des atomes à notre échelle. Une unité très utile aux chimistes donc.

Mettons que vous avez 12g tout juste de carbone à 6 neutrons (et 6 protons donc, si vous avez bien suivi ici), donc 12 nucléons, vous avez bien vu, bravo. On a dit qu'il y avait une mole de carbone 12, là-dedans, et on a dénombré les atomes pour arriver à un résultat de

6, 02214179 x 10²³ atomes dans 1 mole, soit 602214,179 milliards de milliards d'atomes par mole.

Souvent arrondi à 6, 02 x 10²³ pour faciliter les calculs qui seront déjà bien assez précis. Pour seulement 12g de de carbone 12.

Donc ça sert à compter les atomes ou les molécules quand vous les transformez par une réaction chimique.

Note : comme gramme est abrégé g après un nombre (100g de farine), mole est abrégé en mol après un nombre (12mol de carbone).

Masses molaires

Sur toutes les classifications périodiques, la masse molaire est indiquée pour chaque atome. La valeur est en grammes par mole de composé. Donc 1,0079 grammes par mole d'hydrogène, 15,9994g par mole d'oxygène et 12,011g par mole de carbone.

- Bah on avait pas dit que justement une mole de carbone c'était 12g ?

Ah non. J'ai dit qu'une mole de carbone à 6 protons et 6 neutrons, dit carbone 12, c'était 12g exactement. Le problème c'est que dans la nature il existe du carbone 11 (6 protons, 5 neutrons), du carbone 13 (6 protons, 7 neutrons), et du carbone 14 (6 protons, 8 neutrons), et que dans la masse donnée on considère une mole de carbone contenant une certaine proportion de carbone 12, carbone 13 et carbone 14, en fonction de l'abondance relative dans la nature, dans ce cas 98,89% de carbone 12, 1,11% de carbone 13, les deux autres n'étant pas comptés car radioactifs (lien à venir). Voir l'article sur les isotopes.

Note : un électron ayant une masse 2000 fois plus petite que celle d'un proton, on considère qu'un ion a la même masse molaire que l'atome correspondant.

Moles de molécules et d'atomes

Bon maintenant une question : vous prenez une mole d'eau, H₂O, et vous la décomposez en ses atomes d'hydrogène et d'oxygène. Combien de moles d'hydrogène et d'oxygène avez-vous dans les mains ?

- Une mole d'hydrogène et une mole d'oxygène ?

- Ah. Attention. Pour chaque molécule d'eau tu libères deux atomes d'hydrogène ; donc pour un certain nombre, par exemple 6,02 x 10²³ molécules d'eau, tu libèreras donc 2 x 6,02 x 10²³ atomes d'hydrogène, soit...

- Deux moles d'hydrogène et toujours une mole d'oxygène ?

- C'est ça.

Allez, un petit exercice pour vous maintenant.

Si vous décomposez une mole de NaCl, combien de moles d'atomes de Na et de moles d'atomes de Cl ?

Si vous décomposez une mole de MgBr₂ en ses ions Mg²⁺ et Br^-, combien avez-vous de moles d'ions de Br^- et Mg²⁺ ?

Réponses ici.