Les atomes et les molécules

Cours 1: Les atomes et les molécules
Introduction
La matière existe sous toutes formes pierre métal bois verre vous moi … .
La matière de l'Univers, qu'elle soit vivante ou inerte, est modelée par des molécules, qui sont à leur
tour composées d'atomes.
1 - Eléments et composés de la matière
Un élément est une substance impossible à décomposer en d’autres éléments plus simples au cours
des réactions chimiques. De nos jours les chimistes connaissent 92 éléments naturels dont l’or le
plomb, le carbone, l’oxygène…
On assigne à chaque élément un symbole le plus souvent constitué d’une ou des deux premières
lettres de son nom fer Fe hydrogène H
Deux ou plusieurs éléments peuvent se combiner pour former un composé. Le sel de table est un
composé formé de deux éléments le sodium Na et le chlore Cl
Le chlore est un gaz toxique et le sodium un métal. Mis ensembles le sel de table devient un
nouveau composé qui de possède pas les caractéristiques des éléments pris individuellement.
Quelques éléments indispensables à la vie
Environ 25 des 92 éléments naturels sont essentiels à la vie les éléments CHON représentent à eux
seuls 96% de la composition de la matière vivante.

2 - L’atome et les particules élémentaires
a) La découverte de l’atome
Voir diaporama
les particules élémentaires
la masse atomique
b) Le Numéro et la masse atomique moyenne
Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même nombre de protons dans leur noyau. Ce
nombre particulier à cet élément s’appelle le numéro atomique et il s’écrit au moyen d’un indice à
la gauche du symbole de l’élément.
L’abréviation 2He par exemple indique que chaque atome de l’élément hélium a deux protons dans
son noyau.
A moins d’indications contraires, un atome est électriquement neutre. C'est-à-dire que ses
protons sont contrebalancés par un nombre égal d’électrons.
En conséquence, le numéro atomique nous indique le nombre de protons et le nombre d’électrons
dans un atome neutre.
Cela nous permet de déduire le nombre de neutrons à partir de la masse atomique moyenne c'est-à-
dire de la somme des protons et des neutrons contenus dans le noyau de chaque isotope d’un
élément.
Les isotopes représentent les différentes formes atomiques d’un élément. On précisera cette notion
plus tard.
La masse atomique moyenne s’écrit au moyen d’un exposant appelé nombre de masse à la gauche
du symbole de l’élément.
Par exemple nous pouvons utiliser l’abréviation 42He pour désigner un atome d’hélium. Comme le
numéro atomique indique le nombre de protons, nous pouvons déterminer le nombre de neutrons
en soustrayant le numéro atomique du nombre de masse : un atome d’hélium 42He possède donc
deux neutrons. Un atome de sodium 2311Na possède 11 protons, 11 électrons et 12 neutrons.

L’atome d’Hydrogène 11H ne possède aucun neutron. Il contient 1 proton autour duquel gravite un
électron.
La masse atomique moyenne s’exprime en unités de masse représentes par le symbole µ. La
masse molaire atomique nous indique à quelque chose près la masse de l’atome entier. Ainsi la
masse molaire de l’hélium 42He est de 4µ (4,003 exactement)

C - les isotopes
Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même nombre de protons mais certains atomes
du même élément ont plus de neutrons que d’autres, et par conséquent pèsent plus lourd.
Ces formes atomiques différentes représentent des isotopes de l’élément.
Dans la nature un élément se présente sous la forme d’un mélange de ses isotopes.
Par exemple considérons les trois isotopes du carbone dont le numéro atomique est 6. L’isotope le
plus courant est le Carbone 12 qui constitue 99% du carbone naturel, il possède 6 neutrons.
La majeure partie du 1% restant consiste en atomes de l’isotope 136C avec ses 7 neutrons. Le
troisième isotope 146C possède huit neutrons. Il existe dans l’environnement en très petite
quantités.
Le 13C et le 12C sont des isotopes stables ce qui signifie que leur noyau n’a pas tendance à perdre de
particules. Par contre le 14C est un radio-isotope (instable) son noyau se désintègre spontanément
et émet des particules et de l’énergie. La perte de particules transforme l’atome en un atome d’un
autre élément par exemple le 14C se désintègre en azote N2
Les radio-isotopes ont de nombreuses applications pratiques en biologie et en géologie. Ils peuvent
servir de traceur pour suivre le cheminement des atomes dans le métabolisme.

d) - les niveaux énergétiques
Dans le modèle suivant, la grosseur du noyau se trouve disproportionné au volume de l’atome
complet. Si le noyau avait la grosseur d’une balle de golf, les électrons se déplaceraient autour à
une distance moyenne de 1km. Les atomes se composent en grande partie de vide !!
Lorsque deux atomes se rapprochent l’un de l’autre leurs noyaux restent trop éloignés pour interagir
seuls les électrons participent aux réactions chimiques entre les atomes.
Chaque électron possède sa propre quantité d’énergie. Cette énergie capable de fournir un travail
s’appelle énergie potentielle.
Par exemple l’eau contenue dans un réservoir en hauteur possède de l’énergie potentielle en raison
cette hauteur. Une fois les vannes ouvertes l’énergie peut être libérée. Une fois au pied de la colline
l’eau contient moins d’énergie. La matière a ainsi tendance à se débarrasser naturellement de son
énergie potentielle.
Les électrons d’un atome possèdent eux aussi leur énergie potentielle qui explique la possibilité de
réagir des atomes et des molécules ainsi que leur capacité à libérer de l’énergie.
Les différents états d’énergie potentielle des électrons s’appellent niveaux énergétiques ou
couches électroniques