Les atomes et les molécules

La matière est tout ce qui a une masse et occupe un volume dans l'espace. C'est de quoi est fait tout ce qui nous entoure : l'air que l'on respire, l'eau que l'on boit, les objets, les êtres vivants... même les étoiles lointaines !

La matière peut exister sous différents états physiques que l'on observe tous les jours :

• Solide : La matière a une forme propre et un volume défini (ex: un glaçon, une roche). Les particules sont très proches et ordonnées.
• Liquide : La matière n'a pas de forme propre, elle prend la forme du récipient, mais a un volume défini (ex: l'eau, l'huile). Les particules sont proches mais désordonnées et peuvent glisser les unes sur les autres.
• Gazeux : La matière n'a ni forme propre ni volume défini, elle occupe tout l'espace disponible (ex: la vapeur d'eau, l'air). Les particules sont très éloignées et très agitées.

Chaque type de matière possède des propriétés physiques spécifiques, comme sa couleur, son odeur, sa densité, sa température de fusion ou d'ébullition. Ces propriétés permettent de la caractériser.

Depuis l'Antiquité, les savants se sont demandé de quoi était faite la matière et si elle était divisible à l'infini. C'est le philosophe grec Démocrite, il y a plus de 2000 ans, qui a émis l'hypothèse que la matière était composée de particules indivisibles, qu'il a appelées "atomos" (ce qui signifie "insécable" en grec). C'est l'origine du mot atome !

Aujourd'hui, grâce aux progrès scientifiques, nous savons que la matière est bien composée de particules extrêmement petites que l'on ne peut pas voir à l'œil nu. L'étude de l'infiniment petit nous permet de comprendre comment la matière est organisée.

Pour se donner une idée des échelles de grandeur :

• Un cheveu humain a un diamètre d'environ 100 micromètres ($10^{-4}$ m).
• Une bactérie mesure quelques micromètres.
• Un virus mesure quelques dizaines de nanomètres ($10^{-8}$ m).
• Un atome mesure environ $10^{-10}$ m (0,1 nanomètre).
• Le noyau d'un atome est encore 100 000 fois plus petit !

L'atome est la plus petite particule d'un élément chimique qui conserve les propriétés de cet élément. Il est lui-même composé de particules encore plus petites. Un atome est constitué de deux parties principales :

1. Un noyau central, très petit et très dense.
2. Des électrons qui gravitent autour du noyau, comme des planètes autour du soleil. C'est ce qu'on appelle le modèle planétaire de l'atome.

Le noyau porte des charges électriques positives, tandis que les électrons portent des charges électriques négatives.

Le noyau de l'atome est composé de deux types de particules :

• Les protons : Ils portent une charge électrique positive (+e).
• Les neutrons : Ils ne portent aucune charge électrique (ils sont neutres).

Le nombre de protons dans le noyau est très important. C'est le numéro atomique, noté Z. Il est unique pour chaque élément chimique et permet de l'identifier. Le nombre total de particules dans le noyau (protons + neutrons) est appelé nombre de masse, noté A.

Exemple : Un atome d'oxygène a Z = 8. Cela signifie qu'il a 8 protons dans son noyau.

Les électrons sont des particules beaucoup plus légères que les protons et les neutrons. Ils portent une charge électrique négative (-e).

Une propriété fondamentale des atomes est leur neutralité électrique. Cela signifie qu'un atome est globalement neutre, c'est-à-dire qu'il n'a pas de charge électrique nette. Pour qu'un atome soit neutre, le nombre de charges positives doit être égal au nombre de charges négatives. Donc, dans un atome neutre : ==Nombre de protons = Nombre d'électrons = Z==

Si un atome gagne ou perd des électrons, il devient un ion, qui est une particule chargée électriquement.

Un élément chimique est défini par son numéro atomique Z, c'est-à-dire par le nombre de protons dans le noyau de ses atomes. Tous les atomes qui ont le même nombre de protons appartiennent au même élément chimique. Chaque élément chimique est représenté par un symbole chimique unique, composé d'une ou deux lettres (ex: H pour Hydrogène, O pour Oxygène, Fe pour Fer). La première lettre est toujours une majuscule.

Des atomes d'un même élément peuvent avoir un nombre différent de neutrons. On les appelle des isotopes. Par exemple, le carbone 12 et le carbone 14 sont des isotopes du carbone (ils ont tous les deux 6 protons, mais le carbone 12 a 6 neutrons et le carbone 14 a 8 neutrons).

Le tableau périodique des éléments (ou tableau de Mendeleïev) est un outil essentiel en chimie. Il classe tous les éléments chimiques connus en fonction de leur numéro atomique Z croissant. Il est organisé en :

• Périodes (lignes) : Le numéro de la période indique le nombre de couches électroniques de l'atome.
• Groupes ou Familles chimiques (colonnes) : Les éléments d'une même colonne ont des propriétés chimiques similaires car ils ont le même nombre d'électrons sur leur couche externe.

On y trouve différentes catégories d'éléments :

• Les métaux (majoritaires, à gauche et au centre) : Ils sont généralement brillants, bons conducteurs de chaleur et d'électricité.
• Les non-métaux (à droite) : Leurs propriétés sont variées.
• Les métalloïdes (entre les deux) : Possèdent des propriétés intermédiaires.

Le tableau périodique permet de prédire les propriétés des éléments et de comprendre leurs réactivités.

Une molécule est un assemblage d'au moins deux atomes liés entre eux. Ces atomes peuvent être identiques ou différents. Les atomes s'assemblent en formant des liaisons chimiques, généralement pour atteindre une configuration plus stable. Ces liaisons sont fortes et maintiennent les atomes ensemble.

Exemples de molécules simples :

• Le dioxygène ($O_2$) : deux atomes d'oxygène liés.
• L'eau ($H_2O$) : un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène.

Pour comprendre la composition et la structure des molécules, on utilise différentes représentations :

1. Formule brute : Elle indique la nature et le nombre de chaque type d'atome dans la molécule. Le symbole de l'élément est suivi d'un indice en bas à droite indiquant le nombre d'atomes de cet élément (si l'indice est 1, il n'est pas écrit).
   • Ex: $H_2O$ signifie 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène.
   • Ex: $CO_2$ signifie 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène.
2. Modèles moléculaires : Ce sont des représentations en 3D des molécules.
   • Modèle compact (ou de "boules et bâtonnets") : Chaque atome est représenté par une boule de couleur spécifique (ex: H en blanc, O en rouge, C en noir) et les liaisons par des bâtonnets. Cela permet de visualiser la géométrie de la molécule.

Voici quelques exemples de molécules que l'on rencontre fréquemment :

• Eau ($H_2O$) : Indispensable à la vie. Formée de 2 atomes d'Hydrogène et 1 atome d'Oxygène.
• Dioxygène ($O_2$) : Le gaz que nous respirons. Formé de 2 atomes d'Oxygène.
• Dioxyde de carbone ($CO_2$) : Gaz produit par la respiration et la combustion, important pour l'effet de serre. Formé de 1 atome de Carbone et 2 atomes d'Oxygène.
• Méthane ($CH_4$) : Principal composant du gaz naturel. Formé de 1 atome de Carbone et 4 atomes d'Hydrogène.

Un corps pur est une substance composée d'un seul type de constituant chimique. Cela signifie que toutes les particules qui le composent sont identiques (tous les mêmes atomes ou toutes les mêmes molécules). Il existe deux types de corps purs :

• Corps pur simple : Composé d'un seul type d'atome. Ex: le dioxygène ($O_2$), le fer (Fe), le cuivre (Cu).
• Corps pur composé : Composé d'un seul type de molécule, elle-même formée de plusieurs types d'atomes liés. Ex: l'eau ($H_2O$), le dioxyde de carbone ($CO_2$), le sel de cuisine (chlorure de sodium, NaCl).

Les corps purs ont des propriétés caractéristiques très précises et constantes, comme une température de fusion et une température d'ébullition fixes sous une pression donnée. Par exemple, l'eau pure bout toujours à 100°C et gèle à 0°C à pression atmosphérique normale.

Un mélange est une substance composée d'au moins deux corps purs différents. Les constituants sont simplement mélangés, ils ne sont pas liés chimiquement entre eux. Il existe deux catégories de mélanges :

• Mélange homogène : Les différents constituants ne sont pas distinguables à l'œil nu, même avec une loupe. Le mélange a une apparence uniforme. Ex: l'eau salée, l'air (mélange de gaz), le sirop dilué.
• Mélange hétérogène : Les différents constituants sont distinguables à l'œil nu. On peut voir au moins deux phases distinctes. Ex: l'eau et l'huile, l'eau et le sable, le granit.

La principale différence entre un corps pur et un mélange réside dans leurs propriétés caractéristiques :

• Corps pur : Températures de fusion et d'ébullition sont fixes et précises.
• Mélange : Les températures de fusion et d'ébullition s'étalent sur une plage de températures.

Pour séparer les constituants d'un mélange, on utilise des méthodes de séparation physiques :

• Décantation : Pour séparer des liquides non miscibles (eau/huile) ou un solide d'un liquide (eau/sable).
• Filtration : Pour séparer un solide en suspension dans un liquide.
• Distillation : Pour séparer des liquides miscibles ayant des températures d'ébullition différentes (eau/alcool) ou pour récupérer un solide dissous d'un liquide (sel de l'eau salée).
• Évaporation : Pour récupérer un solide dissous en laissant le solvant s'évaporer.