Atomes et molécules

Atomes et molécules
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ÉLÉMENTS CHIMIQUES ET ATOMES
Élément : substance impossible à décomposer en d'autres substances plus simples au cours de réactions
chimiques. Les éléments suivants sont les plus importants pour le vivant :
Élément
Carbone
Hydrogène
Oxygène
Azote
Calcium
Phosphore
Sodium
Souffre
Symbole
C
H
O
N
Ca
P
Na
S
Les 4 premiers C, H, N, O représentent 96% de la matière vivante. D’autres sont présents pour certaines
réactions chimiques vitales : Fe, Mg, Cu, Zn.
Composé = 2 ou plusieurs éléments différents combinés. Ex. NaCl, CaCl2
Atome = unité élémentaire de la matière : chaque élément est formé du type d'atome qui lui est propre.
Un atome comporte des particules élémentaires: des protons (+) et des neutrons dans le noyau et des
électrons (-) qui gravitent autour du noyau.
Le numéro atomique correspond au nombre de protons d'un atome.
La masse atomique est égal au nombre de protons plus le nombre de neutrons.
Les atomes sont électriquement neutre : Le nombre de protons est égal au nombre d'électrons
Les isotopes
Les isotopes sont des atomes du même élément qui ont le même numéro atomique c'est-à-dire le
même nombre de protons mais dont le nombre de neutrons est différent.
L'oxygène a 17 différents isotopes possibles. Seuls 3 sont stables.
La plupart des atomes d'oxygène ont 8 protons et 8 neutrons. D'où le nombre de masse est = 16 (16O).
C'est l'isotope le plus abondant (99,762 %) ce qui fait qu'en pratique, lorsqu'on parle d'oxygène, on parle
de cet isotope. Il y a l’isotope avec 8 p et 9 n, d'où le nombre de masse= 17 (17O ). Et l’isotope 8 p et 10 n
avec un nombre de masse = 18 (18 O).
L'hydrogène peut avoir trois isotopes possibles. H (sans neutron, 99,985%), 2H (deutérium), 3H (tritium)
Le Carbone a 16 isotopes connus, dont 2 stables : 12C (99%), 13C. Le carbone 14, l’isotope 14C, est le seul
isotope radioactif, avec une demi-vie de 5700 ans. Il se désintègre spontanément. Son occurrence
naturelle est négligeable par rapport aux deux autres isotopes, mais sa radioactivité le rend détectable.
Comme les tissus morts n'absorbent pas 14C, son taux est utilisé en pour dater les tissus biologiques.
La formation des molécules
Les atomes se lient entre eux pour former des molécules.
Les atomes ayant leur couche externe saturée à 8 électrons ne réagissent pas avec un
autre atome, alors que ceux dont la couche externe a moins de 8 électrons peuvent
réagir avec les autres atomes.
Un atome augmente sa stabilité lorsque sa couche d'électrons extérieure est
complète, c'est-à-dire qu'elle contient le nombre maximum d'électrons qu'elle peut
contenir. Pour cela, il peut s'associer avec d'autres atomes pour former une molécule,
soit en cédant soit en acquérant des électrons ; s'il en cède c'est pour que la couche
externe soit la couche inférieure toujours complète. Remarque : l'atome d'hydrogène a
une seule couche électronique qui porte un électron. Parfois cet atome peut perdre cet
électron et il ne lui restera qu'un proton. Il devient un proton (H+) car l'atome
d'hydrogène n'a pas de neutron.
Il y a quelques façons d’y arriver : le transfert d’électrons ou le partage d’électrons.
Liaisons ioniques:
Dans une liaison ionique il y a transfert d'électron(s) d'un élément vers un autre.
Autrement dit, il y a des donneurs et des accepteurs d'électrons.
Le Sodium (Na) a 11 électrons au total répartis comme suit:
Pour atteindre un état stable, le Na aura tendance à céder
son électron unique de la couche externe. La couche
inférieure étant déjà saturée à 8 électrons deviendra la
couche externe plus stable. D'où le Sodium est un donneur
d'électrons.
Le Chlore (Cl) a 17 électrons au total.
La dernière couche aura donc tendance à
accepter un électron supplémentaire pour
combler cette couche à 8 électrons, ce qui
confère la stabilité. D'où le Chlore est un
accepteur d'électrons.
Ces phénomènes de transferts d'électrons se traduisent en même temps par un
déséquilibre dans la répartition des charges de chacun des 2 atomes:
•
•
le Na qui a perdu un électron (-) aura plus de protons que d'électrons. Donc il
acquiert une charge positive. Il s’écrit Na+
le Cl qui a accepté un électron (-) aura plus d'électrons que de protons. Donc il
acquiert une charge négative. Il s’écrit Cl-
Ces éléments chargés sont appelés des ions. Un ion est un atome ou un composé qui
•
•
a gagné un ou plusieurs électrons (il devient un ion négatif ou anion) ou
a perdu un ou plusieurs électrons (il devient un ion positif ou cation)
Un principe de base à rappeler : Des charges électriques de même nature se
repoussent. Des charges électriques opposées s'attirent.
Appliquons ce principe au cours de la formation du Chlorure de Sodium (NaCl) (sel de
table) : Na+ et Cl- s'attirent. Les atomes sont liés par leur différence de charge (+ -).
Les liaisons ioniques sont faciles à défaire. Si on met le sel dans l'eau, les ions sont
séparés les uns des autres. On dit que le sel est dissout car les composés ioniques sont
dissociés.
Lors d’une liaison ionique le résultat est électriquement neutre.
Oxyde de cuivre
Cu2+ + O2CuO (autant de charges + que -)
Chlorure de Fer
Fe3+ + ClFeCl3 (3+ et 1- donc on mettra 3 Cl pour équilibrer, 3Cl- et Fe3+)
Oxyde d'Aluminium
Al2O3
Al3+ + O2Dans la formule, on met toujours les cations (+) avant les anions(-).
Liaisons covalentes :
Il y a liaison covalente quand deux atomes partagent certain(s) de leurs électrons. Ils
mettent en commun leurs électrons pour compléter leurs couches externes respectives
à 8, et acquérir une stabilité.
L’oxygène a besoin de recevoir 2 électrons alors que
l’hydrogène a besoin de donner 1 électron. Sans faire
d’échange, ils les partagent simplement.
Les liaisons covalentes peuvent être :
•
•
•
simples : partage une paire d'électrons H-H -->H2
doubles : 2 paires d'électrons O=O -->O2
triples : 3 paires d'électrons : N=N --> N2
O est plus volumineux que H et a tendance à attirer plus
fortement les électrons partagés vers lui. O devient un peu
plus négatif alors que H devient un peu plus positif. Quand
le partage des électrons est inéquitable, on a alors une
molécule polaire.
Quand le partage des électrons est équitable (i.e. égal), on a
une molécule non polaire.
Les liaisons covalentes forment des liaisons fortes, résistantes et stables. Elles
nécessitent de 10 à 20 fois plus d’énergie pour être brisées que les liaisons ioniques.
Pourquoi 2 types de liaisons pour former des molécules?
La majorité des éléments sont des métaux qui, sur le plan chimique, ont tendance à
perdre des électrons pour former des ions positifs. Les éléments non métalliques ont
tendance à réagir chimiquement avec les métaux en leur volant des électrons pour créer
des ions négatifs. Donc des liaisons ioniques.
Les non-métaux désirent tous garder leurs électrons et en avoir de plus pour compléter
leur couche externe. C’est pourquoi ils s'associent souvent par des liaisons covalentes.
Liaisons hydrogène :
Ce mode de liaison se fait entre les molécules. Il survient quand un Hydrogène est
partagé entre 2 atomes électronégatifs.
Chaque molécule d'eau (H2O) a le potentiel de se lier simultanément par lien hydrogène
à 4 autres molécules d'eau. Ce type de liaison est faible.