Matière : atome et molécule

La matière (de mater => mère) est présente autour de nous sous trois formes ou plus exactement trois états : solide, liquide et gazeux. Une substance comme l'eau pourra être de la glace, du liquide incolore ou de la vapeur d'eau selon la température et la pression exercée sur cette eau. Mais sous n'importe quelle forme que ce soit l'eau est formée par les mêmes atomes et c'est l'organisation de ces atomes et molécules qui donnerons à l'eau sa forme solide (glace), sa forme liquide (incolore) ou sa forme gazeuse (vapeur invisible).


Eau sous forme solide critalisée : flocon de neige

Organisation de la matière

Corps composés, corps simples

Les travaux des chimistes ont montrés que la matière pouvait se diviser en un certain nombre de corps simples purs (exemples : le fer, le cuivre, le sodium, l'oxygène, l'hydrogène…).
Ces corps simples peuvent s'unir entre eux pour former d'autres corps purs : ce sont les corps composés ou combinaisons.
De nombreux corps composés se trouvent dans la nature (exemples : le chlorure de sodium ou sel de cuisine, le carbonate de calcium ou marbre…).
Un corps composé est toujours constitué par les mêmes corps simples et dans les mêmes proportions.

La molécule

{du latin môle "masse"}
La molécule est la plus petite partie d'un corps pur susceptible d'exister à l'état isolé en gardant les caractères de ce corps.
Une molécule est formée d'atomes ;
dans un corps simple, elle est formée d'un ou plusieurs atomes semblables,
dans un corps composé, elle est formée d'atomes différents.

Atome

{Du grec "impossible à diviser", de a- --> "anti" ,"impossible" et -tome -->"temnein" ; "couper"}
L'atome est la plus petite partie d'un élément chimique à l'état électrique neutre. Il est susceptible d'entrer dans les combinaisons chimiques avec d'autres atomes pour constituer des molécules.
L'atome est constitué d'un noyau atomique (protons, neutrons) autour duquel gravitent des électrons répartis sur une ou plusieurs orbites ou couches.
La molécule d'eau (H2O) contient 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène.

Particules élémentaires

{Particule : très petite partie}
{Elémentaire : simple}
électron : particule élémentaire contenant la plus petite charge d'électricité négative. Sa masse au repos est égale à la 1836 ème partie de celle de l'atome d'hydrogène.
- Charge de l'électron : 1,6 x 10-19 Coulomb (charge élémentaire => e).
- Masse de l'électron : 9,10938 x 10-31 Kilogramme.
Proton : particule élémentaire contenant la plus petite charge d'électricité positive.
Neutron : particule élémentaire électriquement neutre dont la masse est sensiblement égale à celle du proton.
Le noyau atomique chargé positivement contient presque toute la masse de l'atome. Il est constitué par la réunion de protons et neutrons sauf pour l'hydrogène dont le noyau se réduit à un proton. L'atome est électriquement neutre puisqu'il a autant de charges positives (les protons) que de charges négatives (les électrons) et que ces charges de sens contraires s'attirent.
Le diamètre d'un atome est compris entre 0,1 et 0,4 millimicron.
L'atome d'hydrogène est le plus simple de tous :

Atome d'hydrogène

Atome hydrogène
1 proton
1 électron

Atome d'oxygène

Atome d'oxygène
Il est constitué de 8 électrons,
8 protons
et 8 neutrons.
16 est le nombre de masse (8 protons + 8 neutrons).
Le nombre de masse correspond au nombre total de protons et de neutrons constituant le noyau atomique.

Relation entre l'atome et l'électricité

Couche électronique

Les électrons qui gravitent autour du noyau sont répartis sur plusieurs couches en fonction de leur niveau énergétique.
Les électrons périphériques appartiennent normalement à la couche électronique externe qui intervient dans les phénomènes lumineux, dans les phénomènes de conduction, ainsi que dans les propriétés chimiques de l'atome.
La couche externe ne peut contenir plus de 8 électrons.
On peut classer les atomes à partir de cette couche :
Les atomes ayant 1, 2 ou 3 électrons sur la couche périphérique ont tendance à les perdre.
Les électrons deviennent libres. C'est le cas des bons conducteurs électriques.
Les atomes ayant 5, 6 ou 7 électrons sur cette couche ont tendance à compléter cette dernière à 8.
C'est le cas des isolants.
Les atomes ayant 4 électrons constituent la catégorie des semi-conducteurs.
Les atomes ayant 8 électrons périphériques n'ont aucune tendance. Ce sont les gaz rares.

Ions positifs, ions négatifs

Les électrons n'étant pas disposés sur une même orbite, nous concevons bien que les électrons les plus éloignés soient moins attirés par le noyau, donc plus faciles à soustraire à son attraction.
Si un électron quitte l'atome, l'équilibre de celui-ci est rompu. Un ion est donc un atome ou groupe d'atomes possédant une charge électrique totale non nulle.
En effet, si un atome perd ou capture un ou plusieurs électrons, la charge positive du noyau n'est plus entièrement neutralisée.
L'atome incomplet devient suivant le cas un ion positif ou un ion négatif.

Classification périodique

Elle est due au chimiste russe Mendéléïev qui la publia en 1870. Les éléments sont placés les uns à la suite des autres, le nombre atomique augmentant chaque fois d'une unité. On revient à la ligne chaque fois que commence une nouvelle couche électronique.
Les éléments d'une même colonne appartiennent à la même famille chimique et ont des propriétés voisines.

Liaisons entre atomes

Liaison ionique

Elle fait intervenir l'électrovalence correspondant à un gain ou une perte d'électron. Les ions ne sont pas liés (inexistence de la molécule à composé ionique). L'édifice est le résultat d'un équilibre entre les forces d'attraction et de répulsion électrostatique. C'est le cas des sels tel que le chlorure de sodium.
Chlorure de sodium Na Cl
Liaison ionique : Chlorure de sodium Na Cl.

Liaison covalente

Elle fait intervenir la mise en commun d'électrons entre les atomes. On obtient un véritable lien entre atomes (existence de la molécule).
molecule d'oxygèneMolécule d'oxygène O2.

Dans les deux cas, les atomes tendent à avoir leur couche électronique externe complète (généralement 8 électrons).
Les liaisons covalentes sont toujours plus difficiles à rompre que les liaisons électrovalentes.

Cristaux

Un certain nombre de corps solides, en particulier les métaux, cristallisent, c'est à dire que les atomes sont rangés suivant un motif géométrique régulier (maille) qui se répète pour former un cristal.
Le motif et les dimensions des mailles permettent d'expliquer un certain nombre de propriétés physiques des corps correspondants.
Les figures ci dessus montrent la disposition des atomes de carbone dans les cristaux de diamant et graphite.
La différence de dureté en particulier est la conséquence de la nature cristalline, ainsi que la différence de conductivité (diamant isolant, graphite conducteur).
(1)cristal de diamant cristal de graphite(2)
(1) = Maille élémentaire du réseau cristallin du diamant
(2) = Maille élémentaire du réseau cristallin du graphite

Définitions

Valence : c'est le nombre de liaisons chimiques qu'un atome peut avoir avec les atomes d'autres substances, dans une combinaison.
Nombre atomique : indique le nombre d'électrons, ou encore le nombre de protons du noyau.

Exercices

Exercice 1

La molécule d'eau est formée ainsi : H2O.
Donner le détail des atomes qui composent cette molécule.

Exercice 2

Le nombre atomique du cuivre (Cu) est 29.
Quel est le nombre d'électrons qui gravitent autour du noyau ?
De combien de protons et neutrons est constitué le noyau ?
Quelle est le nombre de masse de ce noyau ?

Exercice 3

Le calcium est un élément chimique (métal) et son symbole est Ca.
Que représente alors le Ca2+ ?

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