Structure de la matière à l'échelle microscopique
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• montrer que la matière est divisible mais que cette divisibilité est limitée : la matière est discontinue ;
• donner l'ordre de grandeur de la taille et de la masse d'une molécule et d'un atome ;
• décrire un atome (noyau et électrons) et écrire son symbole ;
• expliquer la formation d'un ion simple (cation, anion) et écrire son symbole ;
• représenter une molécule par un modèle moléculaire et une formule ;
• reconnaître un ion polyatomique et écrire la formule d'un corps ionique.
Prérequis : puissances de dix, électrisation, charges électriques positives et négatives.
Situation de départ
De loin, une dune du Sahara paraît lisse ; de près, on voit qu'elle est faite de milliards de grains de sable. Quand on ouvre un flacon de parfum dans un coin de la classe, l'odeur arrive bientôt jusqu'au fond de la salle, alors qu'on ne voit rien voyager.
Peut-on diviser la matière sans fin ? De quoi est-elle faite, à une échelle que l'œil ne voit pas ?
I. La matière est discontinue
1. La matière est divisible
• Les roches, broyées dans un concasseur, donnent du gravier ; usées par le vent et l'eau, elles donnent du sable.
• Un vaporisateur divise le parfum en gouttelettes très fines.
• Le parfum qui s'évapore donne des particules invisibles qui se répandent dans toute la pièce : c'est pour cela qu'on sent son odeur loin du flacon.
2. Une divisibilité limitée : les molécules
La matière est très divisible, mais pas à l'infini : en la divisant, on arrive à des grains extrêmement petits. Pour l'eau, le sucre, le dioxygène, ces grains sont des molécules. On dit que la matière est discontinue : elle est faite de particules séparées.
Une bûchette incandescente se rallume dans un flacon de dioxygène et s'éteint dans un flacon de dioxyde de carbone : les molécules de ces deux gaz ne sont pas les mêmes.
La matière est discontinue : elle est formée de particules très petites (molécules, atomes ou ions).
• Un corps pur moléculaire est formé de molécules identiques.
• Un mélange contient des molécules différentes.
3. La taille et la masse d'une molécule
Une molécule est extrêmement petite : sa taille est de quelques dixièmes de nanomètre, de l'ordre de 10-10 m. Les chimistes utilisent l'angström : 1 Å = 10-10 m.
Sa masse est de l'ordre de 10-26 kg : il en faut des milliards de milliards pour faire un gramme.
Une goutte d'eau de masse 0,05 g contient environ 1,67.1021 molécules d'eau. La masse d'une molécule vaut :
4. Solide, liquide et gaz
La glace, l'eau liquide et la vapeur d'eau sont trois états du même corps pur : elles sont formées des mêmes molécules. Ce qui change, c'est leur disposition et leur agitation :
• dans le solide, les molécules sont serrées, à des places fixes, elles vibrent seulement : structure condensée et ordonnée (le solide a une forme propre) ;
• dans le liquide, elles sont serrées mais glissent les unes sur les autres : structure condensée et désordonnée (le liquide coule) ;
• dans le gaz, elles sont éloignées et très agitées : structure dispersée et désordonnée (le gaz occupe tout le volume offert et se comprime facilement).
II. Atomes et ions simples
1. Les atomes
La matière n'est pas toujours faite de molécules. Au microscope à effet tunnel, la surface d'un métal comme l'or montre des rangées de grains serrés : ce sont des atomes. Les métaux (fer, cuivre, or…) et les gaz rares (hélium, néon, argon) ont une structure atomique.
Un atome mesure environ 10-10 m (1 à 3 Å) ; sa masse est de l'ordre de 10-26 kg : un atome de fer pèse 9,3.10-26 kg, un atome d'hydrogène, le plus léger, 1,67.10-27 kg.
2. De quoi est fait un atome ?
Un atome est formé :
• d'un noyau central, chargé positivement, environ 100 000 fois plus petit que l'atome, qui contient presque toute sa masse ;
• d'électrons, chargés négativement, qui se déplacent très vite autour du noyau et forment le nuage électronique.
Entre le noyau et les électrons, il n'y a que du vide : l'atome a une structure lacunaire.
Tous les électrons sont identiques ; chacun porte la charge - e, où e = 1,6.10-19 C est la charge élémentaire ; sa masse vaut 9,1.10-31 kg.
Un atome est électriquement neutre : la charge positive de son noyau compense exactement la charge négative de ses électrons. Un atome qui a n électrons a un noyau de charge + n.e.
Chaque sorte d'atome est caractérisée par son nombre d'électrons : 1 pour l'hydrogène, 6 pour le carbone, 8 pour l'oxygène, 13 pour l'aluminium.
3. Le symbole d'un atome
Il existe un peu plus d'une centaine de sortes d'atomes. Chacune a un symbole : une lettre majuscule, suivie parfois d'une lettre minuscule. Le symbole vient souvent du nom français, mais parfois du nom latin ou grec : Na (natrium) pour le sodium, K (kalium) pour le potassium, Fe (ferrum) pour le fer, Au (aurum) pour l'or, N (nitrogenium) pour l'azote.
Quelques atomes
| Atome | Symbole | Électrons |
|---|---|---|
| hydrogène | H | 1 |
| carbone | C | 6 |
| azote | N | 7 |
| oxygène | O | 8 |
| fluor | F | 9 |
| sodium | Na | 11 |
| magnésium | Mg | 12 |
| aluminium | Al | 13 |
| soufre | S | 16 |
| chlore | Cl | 17 |
| potassium | K | 19 |
| calcium | Ca | 20 |
| fer | Fe | 26 |
| cuivre | Cu | 29 |
4. Les ions simples
Lors de l'électrisation par frottement, des électrons passent d'un corps à l'autre. De même, un atome peut perdre ou gagner un ou plusieurs électrons ; son noyau ne change pas. Il devient un ion simple, chargé :
• un atome qui perd des électrons devient un ion positif : un cation ;
• un atome qui gagne des électrons devient un ion négatif : un anion.
On écrit le symbole de l'ion avec sa charge, en charges élémentaires, en haut à droite : Na+, Ca2+, Cl-, O2-.
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