Bases de chimie 2

BASES DE CHIMIE
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2007
1
Bases de chimie
La chimie est la science qui étudie la constitution atomique et
moléculaire des corps ainsi que leurs interactions.
Nous ne traiterons ici que des bases de la chimie organique*.
Ceci nous permettra de mieux aborder l’étude de la combustion et du
traitement de l’eau.
*partie de la chimie qui étudie les composés du carbone.
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Bases de chimie
La matière est discontinue.
Toute matière minérale, végétale ou animale, sous quelque forme qu’elle soit,
est constituée d’un assemblage de parcelles infinitésimales et insécables.
On distingue les corps simples et les corps composés.
Corps simples :
Ce sont des corps qui ne peuvent subir aucune décomposition et leur ultime
division est l’atome.
Tous les atomes d’un même corps simple sont identiques et ont les mêmes
propriétés.
Dans la nature, on a dénombré une centaine de corps simples dont 92
éléments naturels. Leur nombre est donc limité et une trentaine seulement
d’entre eux est courante.
Nous citerons : l’oxygène, l’azote, le carbone, le soufre, l’hydrogène, le
calcium, le fer, le cuivre, le plomb…
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Bases de chimie
Corps composés :
Ils résultent de la combinaison de corps simples dans des proportions définies,
toujours les mêmes, pour donner naissance à de nouveaux corps qui ont leurs
propriétés spécifiques n’ayant plus rien de commun avec les constituants.
Exemples :
-La combinaison de carbone et d’oxygène donne soit du gaz carbonique,
soit du monoxyde de carbone selon les proportions des constituants.
-La combinaison d’hydrogène et d’oxygène donne naissance à de l’eau.
-La combinaison du chlore et de l’hydrogène donne l’acide chlorhydrique.
-La combinaison d’hydrogène et de carbone donne les hydrocarbures.
Les assemblages d’atomes sont quasiment infinis et les corps composés
existent par milliers.
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Bases de chimie
Les atomes étant l’ultime division de la matière, ils sont les plus petites
particules qui conserveront leur individualité au cours des diverses
combinaisons chimiques que l’on pourra réaliser.
Les atomes ont une taille extrêmement petite et l’on pourra retenir des
valeurs moyennes de l’ordre de :
Diamètre : environ 10 -7 mm soit 10 -10 m ou 1 Å (angstrom)
Masse
: environ 10 -23 g
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Bases de chimie
L’atome comprend deux régions distinctes :
Une région centrale, appelée noyau, formée de deux types de particules :
les protons porteurs de charge positive,
les neutrons électriquement neutres.
électrons
noyau
vide
+ NN +
N
+N + N +
N +
couches ou orbites
Une région périphérique dans laquelle gravite dans l’espace sur des orbites
bien définies et à des distances relativement grandes du noyau, des
électrons de charge négative.
On parle souvent de « nuage électronique ».
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Bases de chimie
Masse de l’atome :
Toute la masse de l’atome est pratiquement concentrée dans le noyau et on
notera que la masse du proton est à peu près égale à celle du neutron.
L’électron est ponctuel et a une masse négligeable, 1 830 fois plus faible
que celle du proton ou du neutron.
Le diamètre du noyau étant d’environ 10 000 à 100 000 fois plus petit que
celui de l’atome, le noyau sera très dense par rapport à l’atome.
La matière est surtout constituée… de vide !
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Bases de chimie
Stabilité du noyau :
Nous savons que toutes les masses sont sollicitées par des forces
d’attraction, les protons et les neutrons y sont donc soumis.
Nous savons aussi que les charges électrostatiques de même signe (+) ou (-)
se repoussent.
Dans le cas du noyau, les forces de répulsion sont supérieures aux forces
d’attraction.
Pour qu’il y ait stabilité, il faut que le nombre de neutrons soit au moins
égal au nombre de protons et, plus le noyau contiendra de protons, plus le
nombre de neutrons devra croitre au-delà de cette égalité.
8
Bases de chimie
Equilibre de l’atome :
Tous les atomes sont électriquement neutres. Il y a donc, à l’état
d’équilibre, autant de protons que d’électrons. (Les neutrons n’intervenant
pas leur charge étant nulle.)
Nous avons dit précédemment que ces électrons tournaient dans l’espace
autour du noyau sur des orbites concentriques. Mais, si les trajectoires sont
à peu près identiques, il y a un déplacement désordonné des électrons qui
sont en perpétuelle agitation sur leur orbite et décrivent une sinusoïde de
plus ou moins grande amplitude.
Cette agitation est fonction de certaines énergies externes et entre autres, de
la température.
Plus la température s’élève, plus l’agitation est intense.
Par contre, si la température baisse l’agitation diminue pour s’arrêter
complètement à – 273,15 °C dite « repos de la matière » ou « zéro absolu ».9
Bases de chimie
Ionisation :
Il se peut qu’un ou plusieurs électrons quittent la dernière orbite car les
électrons éloignés du noyau subissent une attraction moins grande que ceux
qui gravitent sur une orbite plus proche.
À ce moment, l’atome sera déséquilibré puisque les charges positives seront
supérieures de 1, 2 , 3…unités aux charges négatives perdues.
On dira que l’atome est passé à l’état d’ion et, comme les charges positives
sont prépondérantes, on dira « ion positif » ou « cation ».
Si M est le symbole d’un atome quelconque ont écrit :
M donne M+ + 1e
M donne M++ + 2e
M+ et M++ indiquent qu’il s’agit d’un ion positif.
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Bases de chimie
Ionisation :
Il se peut aussi qu’un ou plusieurs électrons viennent en surnombre sur la
dernière orbite.
On aura à nouveau déséquilibre de l’atome, mais cette fois-ci les charges
négatives sont supérieures aux charges positives.
On dira également que l’atome est passé à l’état d’ion et, comme les
charges négatives sont prépondérantes, on dira « ion négatif » ou «anion ».
Si A est le symbole d’un atome quelconque ont écrit :
A + 1e donne AA + 2e donne A-A- et A-- indiquent qu’il s’agit d’un ion négatif.
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Bases de chimie
Les différents atomes :
L’atome le plus simple est celui qui est constitué d’un seul électron
gravitant autour d’un seul proton.
C’est l’hydrogène
+
À noter qu’il n’y a pas de neutron, cet
élément n’étant pas indispensable à la
stabilité du « noyau » constitué d’un seul
proton.
Il ne peut exister de corps plus simple.
Toute séparation conduit aux éléments
constitutif proton/électron.
12
Bases de chimie
Les différents atomes :
L’élément suivant sera constitué de deux électrons gravitant autour d’un
noyau constitué de deux protons et deux neutrons pour assurer la stabilité.
C’est l’hélium
N
+N +
À noter que du fait de la présence des
deux neutrons dans le noyau, la masse de
ce deuxième élément est presque quatre
fois celle de l’hydrogène.
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Bases de chimie
Les différents atomes :
L’élément suivant sera constitué de trois électrons gravitant autour d’un
noyau constitué de trois protons et trois neutrons pour assurer la stabilité.
C’est le lithium
À noter qu’une deuxième orbite apparait.
+N
+N +N
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Bases de chimie
Les différents atomes :
On passe d’un élément au suivant en ajoutant : 1 électron, 1 proton et 1 ou
plusieurs neutrons.
N
+N +
+N +N
C’est le béryllium
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Bases de chimie
Les différents atomes :
On passe d’un élément au suivant en ajoutant : 1 électron, 1 proton et 1 ou
plusieurs neutrons.
+N
+N +
+N +N N
C’est le bore
16
Bases de chimie
Les différents atomes :
On passe d’un élément au suivant en ajoutant : 1 électron, 1 proton et 1 ou
plusieurs neutrons.
+N+N
+ +
N
+N +N N
C’est le carbone
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Bases de chimie
Ecriture :
Pour faciliter les écritures, on a affecté à chaque atome d’un corps simple
un « symbole » qui sera soit :
La première lettre du nom (français ou latin) en majuscule :
Hydrogène :
H
Oxygène :
O
Carbone :
C
Soufre :
S
Phosphore :
P
Fluor :
F
Uranium :
U
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Bases de chimie
Ecriture :
Pour faciliter les écritures, on a affecté à chaque atome d’un corps simple
un « symbole » qui sera soit :
Ou la première lettre du nom en majuscule et la deuxième en minuscule :
Calcium :
Ca
Cuivre :
Cu
Fer :
Fe
Silicium :
Si
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Bases de chimie
Ecriture :
Pour faciliter les écritures, on a affecté à chaque atome d’un corps simple
un « symbole » qui sera soit :
Ou la première lettre du nom en majuscule et une lettre quelconque en
minuscule :
Plomb :
Pb
Arsenic :
As
Zinc :
Zn
Chlore :
Cl
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Bases de chimie
Ecriture :
Pour faciliter les écritures, on a affecté à chaque atome d’un corps simple
un « symbole » qui sera soit :
Ou un symbole n’ayant aucun rapport avec le nom de l’élément :
Or :
Au
Mercure :
Hg
Sodium :
Na
Potassium :
K
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Bases de chimie
Classement :
On peut déjà faire un premier classement des atomes :
Nombre
d’électrons
1
2
3
4
5
6
Nom de
l’atome
Hydrogène
Hélium
Lithium
Béryllium
Bore
Carbone
Symbole
H
He
Li
Be
B
C
À chaque élément correspond un nombre d’électrons dans le nuage
électronique. C’est le nombre ou numéro atomique qui caractérise
parfaitement chaque corps simple.
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Bases de chimie
Couches ou orbites :
Jusqu’à présent, nous ne nous sommes occupés que du nombre global d’électrons
sans faire intervenir les orbites sur lesquelles il gravitent, c’est-à-dire leur position
autour du noyau.
Il faut savoir que très schématiquement on retiendra 7 orbites ou couches possibles
d’électrons que l’on repère par les lettres , K, L, M, N, O, P, Q.
Le nombre d’électrons sur ces couches n’est pas quelconque, pour chaque couche, il
peut être au maximum de :
K
L
M
N
O
P
Q
(1re couche)
(2éme couche)
(3éme couche)
(4éme couche)
(5éme couche)
(6éme couche)
(7éme couche)
→
→
→
→
→
→
→
1² . 2
2² . 2
3² . 2
4² . 2
5² . 2
6² . 2
7² . 2
= 2
= 8
= 18
= 32
= 50
= 72
= 98 → 8
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Bases de chimie
Couches ou orbites :
Il y aura toujours une couche extérieure. Ce sera la couche K s’il n’y a qu’une
couche, la couche L s’il y en a deux …
La septième couche Q, si elle existe, sera donc toujours couche extérieure.
Or cette couche extérieure ne peut avoir au maximum que 8 électrons, et dans ce
cas, l’atome présente une très grande stabilité. On dit que la couche extérieure est
« saturée ».
Remarque 1 : la couche K ne pouvant avoir que deux électrons s’il n’y a qu’une
couche elle sera alors couche extérieure et sera saturée à deux électrons.
Remarque 2 : à partir de la couche L et jusqu’à la couche Q, quand L, M, N, O, P
ou Q seront couche extérieure, elles n’auront au maximum que 8 électrons. Donc Q
ne pourra avoir que 8 électrons (à noter que ce corps n’a pas encore été découvert).
Remarque 3 : toutes les couches intermédiaires ne sont pas forcément saturées. La
couche K est toujours à 2 électrons sauf pour l’hydrogène (1 seul électron).
Remarque 4 : correspondant au couche K, L, M, N, O et P on a 6 atomes dot la
couche extérieure est saturée. C’est la série des gaz rares ou gaz inertes qui sont
respectivement l’hélium, le néon, l’argon, le krypton, le xénon et le radon.
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Bases de chimie
Couche de valence :
La couche extérieure est appelée la couche de « valence ».
Elle caractérise l’activité possible de l’atome qui aura tendance à rechercher sa
stabilité en « saturant » (on dit aussi en « satisfaisant ») sa couche de valence à 2
électrons s’il n’y a qu’une couche ou à 8 électrons s’il y a plus d’une couche.
On peut, de façon très simple dire que le comportement général est le suivant :
Si une couche de valence ne possède que 1, 2, 3 ou 4 électrons ou s’il lui manque 1,
2, 3 ou 4 électrons pour arriver à 8, on dira que l’atome est monovalent, divalent,
trivalent, tétravalent…
Toutefois, si de nombreux corps n’ont qu’une seule valence, un assez grand nombre
en a deux ou plusieurs et il se peut aussi que la seule couche extérieure ne suffise
pas à cet échange qui fait alors intervenir des électrons de la couche inférieure.
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Bases de chimie
Couche de valence :
Nous dirons simplement que l’atome qui n’a sur sa couche extérieure que 1,2 ou 3
électrons va être enclin à les céder en s’associant avec des atomes identiques ou
différents et il y aura formation de molécules.
L’atome à qui il manque 1, 2 ou 3 électrons va avoir tendance à compléter sa couche
de valence en empruntant des électrons aux atomes qui sont enclin à les céder et il y
aura de nouveau formation de molécules.
On peut dire qu’il y a des atomes donneurs d’électrons et des atomes preneurs
d’électrons et que leur association donne des molécules d’atomes identiques ou
différents.
Remarque : cas particulier des atomes ne possédant qu’une couche :
L’hydrogène qui n’a qu’un seul électron sera monovalent. Il sera donneur d’électron
mais pourra s’associer avec lui-même.
L’hélium, ayant sa couche de valence satisfaite à deux électrons, sera très stable et
ne s’associera avec aucun autre corps.
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Bases de chimie
Atome-gramme :
Rappelons les dimensions de l’atome 10 -7 mm, 10 -23 g.
Ces chiffres sont peu suggestifs et se prêtent mal aux calcul. De plus, les réactions
chimiques mettent en jeu un nombre considérable d’atome, même dans les travaux
de laboratoire à l’échelle du gramme. Aussi a-t-on adopté un facteur multiplicateur
commun à tous les atomes :
Le nombre d’Avogadro N = 6,02 . 1023
Qui représente le nombre d’atomes d’une masse de 1 gramme d’hydrogène.
L’atome-gramme (ou masse atomique) d’un élément représente la masse de N
atomes de cet élément.
Atome-gramme
H
=
1 gramme
Atome-gramme
C
=
12 grammes
Atome-gramme
N
=
14 grammes
Atome-gramme
O
=
16 grammes
Atome-gramme
S
=
32 grammes
27
Bases de chimie
Atome-gramme :
On notera que la valeur de l’atome-gramme (ou masse atomique) est très voisine du
nombre de masse qui indique le nombre de protons et de neutrons du noyau.
Toutefois, des tables plus précises indiqueront :
Atome-gramme
H
=
1,00797 gramme
Atome-gramme
C
=
12,01115 grammes
Atome-gramme
N
=
14,0067 grammes
Atome-gramme
O
=
15,9994 grammes
Atome-gramme
S
=
32,034
grammes
Ceci est à rattacher au fait que la proportionnalité d’électrons et de neutrons n’existe
pas et que la masse des électrons, bien que très faible, intervient.
D’autre part, il y a, accompagnant chaque corps simple, une très faible part,
toujours la même d’ailleurs, d’isotopes.
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Bases de chimie
Atome-gramme :
On peut, pour les corps simples que nous rencontrerons dans nos études de
combustion, retrouver la masse atomique à partir du numéro atomique de l’élément.
Exemple :
Le carbone est le numéro 6
Nombre d’électrons :
6 (égal au numéro atomique)
Nombre de protons :
6 (égal au nombre d’électrons)
Nombre de neutrons :
6 (ici égal au nombre de protons)
Nombre de masse :
12 (somme des protons et des neutrons)
Masse atomique :
12 grammes
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Bases de chimie
Atome-gramme :
Complétons le tableau ci-dessous selon l’exemple du carbone.
Élément
Symbole
N°
électrons
protons
neutrons
Nb de
masse
Atomegramme
hydrogène
H
1
1
1
0
1
1g
carbone
C
6
6
6
6
12
12 g
azote
N
7
7
7
7
14
14 g
oxygène
O
8
8
8
8
16
16 g
soufre
S
16
16
16
16
32
32 g
30
Bases de chimie
Isotopes :
Les isotopes sont pour le même numéro atomique la possibilité pour un atome de
posséder un nombre différent de neutrons.
Par exemple le carbone normal a 6 électrons, 6 protons et 6 neutrons on l’appelle
carbone 12 (son nombre de masse est de 12), mais il existe également le carbone
dit carbone 14 qui possède lui 6 électrons, 6 protons mais 8 neutrons (son nombre
de masse est alors de 14).
De même, il existe l’oxygène normal O16 (8p + 8n), mais aussi l’oxygène O17 et O18
qui ont 8 protons mais respectivement 9 et 10 neutrons.
Le comportement chimique de ces isotopes est identique à celui de l’atome
« normal ». Seule la stabilité du noyau est différente.
À noter qu’il n’y a qu’une vingtaine de corps qui n’a pas d’isotope.
31
Bases de chimie
Table des éléments :
On trouvera dans les diapositives suivantes, le nom, le symbole, la masse
atomique et la valence des éléments connus, classés selon leur numéro
atomique.
32
Bases de chimie
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
1
Hydrogène
H
1
1
2
Hélium
He
4
0
3
Lithium
Li
6.9
1
4
Béryllium
Be
9
2
5
Bore
B
10.8
3
6
Carbone
C
12
2–4
7
Azote
N
14
3–4-5
8
Oxygène
O
16
2
9
Fluor
F
19
1
10
Néon
Ne
20.2
0
11
Sodium
Na
23
1
12
Magnésium
Mg
24.3
2
13
Aluminium
Al
27
3
14
Silicium
Si
28
4
15
Phosphore
P
31
1 – 3 – 4 – 533
Bases de chimie
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
2–4-6
16
Soufre
S
32
17
Chlore
Cl
35.5
1–3–4–5–7
18
Argon
A
39.9
0
19
Potassium
K
39.1
1
20
Calcium
Ca
40
2
21
Scandium
Sc
45
3
22
Titane
Ti
47.9
23
Vanadium
V
51
2–3–4–5
24
Chrome
Cr
52
2–3–6
25
Manganèse
Mg
55
1–2–3–4–6-7
26
Fer
Fe
56
2–3
27
Cobalt
Co
58,9
2–3
28
Nickel
Ni
58,7
2–3
29
Cuivre
Cu
63.5
1-2
30
Zinc
Zn
65.4
2
2–3–4
34
Bases de chimie
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
31
Gallium
Gd
69.7
2–3
32
Germanium
Gc
72.6
2–4
33
Arsenic
As
75
2–3–5
34
Sélénium
Se
79
2–4–6
35
Brome
Br
80
5–7
36
Krypton
Kr
84
0
37
Rubidium
Rb
85.5
1
38
Strontium
Sr
87.6
2
39
Yttrium
Y
89
3
40
Zirconium
Zr
91
2–3–4
41
Colombium
Cb
93
2–3–4–5
42
Molybdène
Mo
96
2–3–4–5–6
43
Technétium
Tc
99
4–5–6–7
44
Ruthénium
Ru
101
3–4–5–6–8
45
Rhodium
Rh
103
3
35
Bases de chimie
terres rares ou
lanthanides
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
2–3–4
46
Palladium
Pd
106.4
47
Argent
Ag
108
1
48
Cadmium
Cd
112.4
2
49
Indium
In
115
1–3
50
Etain
Sn
11807
2–4
51
Antimoine
Sb
121.75
3–4–5
52
Tellure
Te
127.6
2–4–6
53
Iode
I
127.9
1–3–5–7
54
Xénon
Xe
131.3
0
55
Césium
Cs
133
1
56
Baryum
Ba
137.3
2
57
Lanthane
La
139
3
58
Cérium
Ce
140
3–4
59
Praséodyme
Pr
141
3–4
60
Néodyme
Nd
144.2
3
36
Bases de chimie
terres rares ou lanthanides
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
61
Prométhium
Pm
147
62
Samarium
Sm
150.4
2–3
63
Europium
Eu
152
2–3
64
Gadolinium
Gd
157
3
65
Terbium
Tb
159
3–4
66
Dysprosium
Dy
162.5
3
67
Holmium
Ho
165
3
68
Erbium
Er
167.2
3
69
Thulium
Tm
169.4
3
70
Ytterbium
Yb
173
2–3
71
Lutécium
Lu
175
3
72
Hafnium
Hf
178.6
2–3–4
73
Tantale
Ta
181
2–3–5
74
Tungstène
W
184
2–4–5–6
75
Rhénium
Re
186.3
1-2-3-4-5-6-7
37
3
Bases de chimie
actinides
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
76
Osmium
Os
190.2
2–3–4–6-8
77
Iridium
Ir
193.1
1–2–3–4-6
78
Platine
Pt
195.3
2–3-4
79
Or
Au
197
1–3
80
Mercure
Hg
200.6
2–3
81
Thallium
Tl
204
1–3
82
Plomb
Pb
207
2–4
83
Bismuth
Bi
209
2–3–4
84
Polonium
Po
210
2–4
85
Astatine
At
211
1–3
86
Radon
Rn
222
0
87
Francium
Fa
223
1
88
Radium
Ra
226
2
89
Actinium
Ac
227
3
90
Thorium
Th
232
4
38
Bases de chimie
actinides
N°
Nom
Symbole
Masse atomique
Valence
91
Protactinium
Pa
231
4–5
92
Uranium
U
238
3–4–6
93
Neptunium
Np
237
3–4–5–6
94
Plutonium
Pu
239
3–4–5–6
95
Américium
Am
241
3–4–5–6
96
Curium
Cm
242
3–4
97
Berkélium
Bk
243
3
98
Californium
Cf
245
3
99
Einsteinium
Es
253
3
100
Fermium
Fm
254
3
101
Mendélévium
Md
256
3
102
Nobelium
No
254
103
Lawrencium
Lw
259
104
Kurtchatovium
Ku
260
105
Habnium
Ha
260
39
Bases de chimie
Classification périodique des éléments :
Nous avons vu que les atomes pouvaient être classés selon leur numéro atomique.
On peut également distinguer leur nombre de couches et l’évolution des électrons
sur ces couches.
On a donc classé les éléments dans un tableau à double entrée qui fait ressortir
verticalement les orbites (K, L, M, N, O, P, Q) et où sera précisé horizontalement le
nombre d’électrons et leur évolution sur les diverses orbites.
En allant de gauche à droite et de haut en bas, on trouvera les atomes de numéros
atomiques croissants.
L’ensemble des éléments figurant sur une même ligne s’appelle une période.
La série des lanthanides (58 à 71) très proches du lanthane et celle des actinides (90
à 103) très proches de l’actinium, sont sorties du tableau pour en diminuer la largeur
et faciliter l’utilisation.
La colonne de droite sera celle des gaz rares.
Ce tableau est appelé table de Mendeleïev
du nom de son inventeur.
Dimitri Yvanovitch Mendeleïev 1834-1907
40
Bases de chimie
Classification périodique des éléments :
41
Bases de chimie
Classification périodique des éléments :
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
42
Bases de chimie
Familles d’éléments :
On appelle « famille » l’ensemble des atomes d’une colonne de la
classification périodique des éléments.
Les atomes d’une même famille auront un même nombre d’électrons sur leurs
couches périphériques. Ce qui leur confère des propriétés chimiques proches.
Une famille bien connue est celle des « gaz rares » qui comprend tous les
éléments dont la couche extérieure est saturée à 2 ou 8 électrons.
43
Bases de chimie
famille des alcalins
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Lithium, sodium, potassium, rubidium, césium.
L’hydrogène a un comportement particulier, le francium est radioactif.
44
Bases de chimie
famille des alcalinoterreux
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Béryllium, magnésium, calcium, strontium, baryum.
Le radium est radioactif.
45
Bases de chimie
famille des éléments de transition
I
A
II
A
III
IVA
A
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Fer, cuivre, zinc, argent, mercure, manganèse...
46
Bases de chimie
famille de la colonne III B
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn
Ga
Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Bore, aluminium, gallium, indium thallium.
47
Bases de chimie
famille de la colonne IV B
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As
Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Carbone, silicium, germanium, étain, plomb.
48
Bases de chimie
famille de la colonne V B
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn Sb Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Bi
Po
Azote, phosphore, arsenic, antimoine, bismuth.
49
Bases de chimie
famille des chalcogènes
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Po
Oxygène, soufre, sélénium, tellure, polonium.Le nom de cette famille est très peu
utilisé car les éléments de cette colonne n’ont pas « l’esprit de famille » bien marqué.
50
Bases de chimie
famille des halogènes
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Fluor, chlore, brome, iode.
L’astate est radioactif.
51
Bases de chimie
famille des gaz rares
I
A
II
A
III
A
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
Hélium, néon, argon, krypton, xénon, radon.
52
Bases de chimie
IVA
V
A
VI
A
VII
A
I
B
VIII
II
B
III
B
IV
B
V
B
Gaz rares
III
A
halogènes
alcalinotrreux
II
A
chalcogènes
alcalins
I
A
Éléments de transition
VI
B
VII
B
O
K
H
He
L
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
M
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
N
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
O
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd Ag Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
P
Cs
Ba
La
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
Q
Fr
Ra
Ac
Ku
Ha
Au Hg
53
Bases de chimie
Les associations d’atomes donneront naissance aux molécules et la molécule
sera la plus petite quantité de matière qui puisse exister à l’état libre, que l’on
pourra isoler et qui conservera ses propriétés et caractéristiques.
D’après les règles que nous avons énoncées concernant la couche de valence,
nous allons étudier les diverses associations ou échange d’électrons que l’on
peut envisager entre les atomes.
Cette présentation sera sommaire mais permettra d’expliquer les rapports
simples et constants qui régissent la formulation des corps simples ou
composés ainsi que les associations d’atomes ou de molécules.
Nous considérerons donc schématiquement :
les associations d’atomes de même nature,
les associations d’atomes de natures différentes,
les échanges d’électrons.
54
Bases de chimie
Association d’atomes de même nature :
Ils donnent naissance aux molécules de corps simples.
Exemple 1 : l’hydrogène
1 atome d’hydrogène + 1 atome d’hydrogène → 1 molécule d’hydrogène
H
+
+
H
+
→
H2
+
+
Il y a mise en commun de chacun des électrons périphériques pour évoluer vers un
environnement électronique identique à celui du gaz rare le plus voisin : l’hélium.
La couche de valence de chaque atome est satisfaite puisqu’elle a ses deux électrons.
55
Bases de chimie
Association d’atomes de même nature :
Ils donnent naissance aux molécules de corps simples.
Exemple 2 : l’oxygène
1 atome d’oxygène
+ 1 atome d’oxygène →
1 molécule d’oxygène
Mise en commun
O
N
N
+N +NN
++ N+ N+
N
++
+
O
N
N
+N +NN
++ N+ N+
N
++
→
O2
N
N
+N +NN
++ N+ N+
N
++
N
N
+ +N
++NN+NN+
N
++
Il y a mise en commun de deux électrons périphériques pour évoluer vers un
environnement électronique identique à celui du gaz rare le plus voisin : le néon.
On dit de ces liaisons qu’elles sont « covalentes ». La plupart des gaz, exception
faite des gaz rares, se comportent comme l’hydrogène et l’oxygène. On dit qu’ils
56
sont diatomiques.
Bases de chimie
Association d’atomes de natures différentes :
Ils donnent naissance aux molécules de corps composés.
Exemple 1 : le chlore et l’hydrogène
1 atome d’hydrogène + 1 atome de chlore
H
+
Cl
N
+
→
1 molécule d’acide chlorhydrique
→
HCl
N
N
N+N++N
+
++ N+ NN+
+
N N +
N+
N
N
+ ++N
+N++NN+NNN+
+
N N +
N+
+
Chaque atome a saturé sa couche périphérique 2 e pour l’hydrogène, 8 e pour le chlore.
57
Bases de chimie
Association d’atomes de natures différentes :
Ils donnent naissance aux molécules de corps composés.
Exemple 2 : le carbone et l’hydrogène
4 atomes d’hydrogène + 1 atome de carbone →
4H
+
C
1 molécule de méthane
→
CH4
+
+
+
+
NN
N N N
NN
N N N
+ +
++N+
+
+
+ +
++N+
+
+
+
+
Chaque atome a saturé sa couche périphérique 2 e pour l’hydrogène, 8 e pour le carbone.
58
Bases de chimie
Echanges d’électrons :
Un atome cède un ou plusieurs électrons à un autre les acceptant.
Exemple : le chlore et le sodium
1 atome de sodium + 1 atome de chlore →
Na
+
N
N
N
N
N N
N
N NN N
N
+ ++
+++ + +
+++
1 molécule de chlorure de sodium
→
Cl
échange
Na+Cl-
N
N
N
N NN N
N NN N
N
+++++
++ ++++
++++
L’atome de sodium devient cation en perdant un électron, l’atome de chlore devient
anion en le récupérant. Le chlorure de sodium fondu est d’ailleurs conducteur
d’électricité du fait de la présence de ces ions.
59
Bases de chimie
Corps composés :
Ils sont issus de réactions chimiques associant différents atomes. Ces réactions se
produisent parfois instantanément mais dans de nombreux autres cas il faut les
amorcer par élévation de température, de pression ou utilisation de catalyseurs.
L’association d’atomes est mise en évidence par la formule chimique du corps qui
traduira simplement la nature des atomes qui sont en jeu et leur nombre respectif.
Les atomes sont précisés par leur symbole et leur nombre mis en jeu par un indice.
Du fait que les réactions se font par nombres entiers d’atome les rapports entre les
diverses sortes d’atomes seront toujours dans des rapports simples.
Exemples :
Eau :
H2O
2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène
Gaz carbonique :
CO2
1 atome de carbone et 2 atomes d’oxygène
Acide sulfurique :
SO4H2
1 soufre, 4 oxygène, 2 hydrogène
60
Bases de chimie
Formule développée plane :
Cette représentation fait apparaître la structure atomique de chaque corps par sa
valence dans le plan.
N’apparaît plus que le symbole de l’atome et des traits représentant les valences.
Exemples :
H—
Hydrogène :
Carbone :
C
ou
C
Azote :
N
ou
N
Oxygène :
O
ou
O
61
Bases de chimie
Formule développée plane :
Cette représentation fait apparaître la structure atomique de chaque corps composé.
Exemples :
Eau :
H
O
H
H2O
Gaz carbonique :
O
C
O
CO2
H
NH3
H
CH4
H
Ammoniac :
H
N
H
Méthane :
H
C
H
62
Bases de chimie
Molécule-gramme ou mole :
De même que l’on a définit l’atome-gramme comme la masse de N atomes, on
définit la molécule gramme comme la masse exprimée en grammes de N molécules.
Rappel : N = 6,02 . 1023
La masse moléculaire ou molécule-gramme d’un corps composé quelconque sera
égale à la somme des divers atomes-grammes multipliés par leur indice.
Exemples de calcul de molécules-grammes :
Hydrogène
H2
→
2x1g = 2g
Eau
H2O
→
(2 x 1 g) + 16 g = 18 g
Méthane
CH4
→
12 g + (4 x 1 g) = 16 g
Acide sulfurique
SO4H2
→
32 g + (4 x 16 g) + (2 x 1 g) = 98 g
Gaz carbonique
CO2
→
12 g + (2 x 16 g) = 44 g
63
Bases de chimie
Volume moléculaire :
C’est le volume occupé par une molécule gramme d’un corps gazeux dans les
conditions dites « normales » de température (0°C) et de pression (760 mmHg).
Ce volume est de 22,4 litres.
Il est le même pour tous les corps gazeux indépendamment de la masse moléculaire
du corps.
Exemples :
Hydrogène
H2
→
2g
→
22,4 L
Eau (vapeur)
H2O
→
18 g
→
22,4 L
Méthane
CH4
→
16 g
→
22,4 L
Gaz carbonique
CO2
→
44 g
→
22,4 L
64
Bases de chimie
Corps purs :
Ce sont des corps simples ou composés qui ne contiennent aucune particule
étrangère à ce corps.
Dans le cas de corps simple, toutes les molécules sont de même nature.
Dans le cas de corps composés, les molécules sont constituées par des associations
bien définies d’atomes.
Chacun de ces corps, s’il est pur, ne contient qu’un seul type d’association à
l’exception de toute autre molécule.
Les corps purs ont toujours les mêmes propriétés physiques :
Densité
Température de fusion
Température d’ébullition
Coefficient de dilatation
On les appelle « constantes physiques » du corps.
65
Bases de chimie
Mélanges :
Un mélange est un ensemble de molécules de différentes espèces.
Les proportion des constituant pouvant varier, on ne peut pas parler de constantes
physiques.
Exemples de mélanges :
Air
=
mélange d’oxygène et d’azote
Pétrole
=
mélange d’hydrocarbures divers
On dit d’un mélange qu’il est homogène quand on ne peut séparer les constituants
que par distillation ou cristallisation.
On dit d’un mélange qu’il est hétérogène quand on peut séparer ses composants par
simple décantation ou filtration.
66
Bases de chimie
Réactions chimiques :
On peut schématiser ces réactions par les trois formules suivantes :
A + B → AB
Cas de corps simples purs qui s’unissent dans des proportions bien définies pour
donner naissance à un corps composé pur.
Exemple :
C
+
O2
→
Carbone
+
oxygène
→
CO2
gaz carbonique
C+D→E+F
Cas de corps composés purs qui disparaissent pour donner naissance à d’autres
corps purs simples ou composés.
Exemple :
SO4H2
acide sulfurique
+
2NaOH
→
SO4Na2
+
soude
→ sulfate de soude +
+
2H2O
eau
67
Bases de chimie
Réactions chimiques :
On peut schématiser ces réactions par les trois formules suivantes :
G→H+I
Cas d’un corps pur composé qui disparaît pour donner naissance à d’autres corps
purs simples ou composés.
Exemple :
→
2NO3H
+
2NO2
+
½ O2
acide nitrique → peroxyde d’azote
eau
+
+
H2O
oxygène
Ces réactions se produisent très souvent sous le simple effet de la chaleur ou de la
lumière et sont accélérées par un catalyseur.
L’acide nitrique devra être conservé dans des flacons en verre coloré parfaitement
étanche.
68
Bases de chimie
Réactions chimiques :
Règle 1 :
Au cours d’une réaction, rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme (loi de
Lavoisier).
Ceci veut dire que les masses des divers constituants du côté gauche de l’égalité se
retrouvent du côté droit.
Exemple :
C
12 g
+
O2
32 g
→
CO2
44 g
69
Bases de chimie
Réactions chimiques :
Règle 2 :
Lorsque des éléments s’unissent, ils échangent généralement le même nombre de
valence.
Exemple :
Fer
→
Oxygène →
divalent (Fe++)
divalent (O--)
FeO (oxyde ferreux)
Fer
→
Oxygène →
trivalent (Fe+++)
divalent (O--)
Fe2O3 (oxyde ferrique)
Soufre
→
divalent (S--)
Zinc
→
monovalent (Zn+)
SZn2 (sulfure de zinc)
70
Bases de chimie
Réactions chimiques :
Règle 3 :
Dans les réactions chimiques, les substitutions se font généralement à valence égale.
Exemple :
H2SO4
+
Fe
→
SO4Fe
+
H2
1 atome de fer bivalent se substitue à 2 atomes d’hydrogène monovalents.
71