Édifices chimiques

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L'essentiel

La matière est formée d'atomes qui sont les briques de base. Ces atomes sont formés d'un noyau porteur de charges électriques positives autour duquel gravitent des électrons porteurs d'une charge négative. Dans les molécules et les ions, ces atomes sont liés entre eux, mais ces liaison peuvent se rompre au cours de réactions chimiques. La formule d'une molécule ou d'un ion nous renseigne sur le nombre et la nature des atomes contenus à l'intérieur.

La fiche

À notre échelle, il existe une grande différence entre, par exemple, du fer sous la forme de métal, et du fer que l'on peut trouver dans les épinards… En fait, la réponse se trouve à l'échelle microscopique, dans la forme prise par cet élément : dans le premier cas, le fer est sous sa forme atomique ; dans le second, c'est un ion.
De même, il est facile de classer les matériaux solides selon quelques variétés, en fonction de leurs propriétés : on peut distinguer les métaux, les plastiques, les verres ou les céramiques par exemple. Certains sont conducteurs de l'électricité, d'autres pas ; certains résistent à de hautes températures, d'autres pas. Enfin, pour un même matériau (du fer pur par exemple), il peut être possible de trouver plusieurs états physiques distincts (fer métallique, fer liquide en fusion, rouille, etc.). L'explication de ces différences se trouve là encore à l'échelle microscopique : tout matériau est formé d'atomes ; c'est la nature de ces atomes et leur agencement qui régissent les propriétés des matériaux à l'échelle macroscopique. L'acceptation de leur existence suppose aussi l'existence d'un vide entre eux : la matière est « lacunaire ».
Les atomes sont liés entre eux et leur liaison peut se rompre au cours d'une réaction chimique. À une échelle plus petite encore, le noyau de chaque atome est lui-même constitué de petites particules : les protons et les neutrons, mis en jeu lors de transformations nucléaires.
Constitution de la matière
Aperçu historique
Ce n'est véritablement qu'à partir du début du xviiie siècle que l'on s'intéresse à la constitution microscopique de la matière. Dans l'Antiquité, qui bénéficiait pourtant d'un développement technique réel, les mythes décrivaient le monde et excluaient toute tentative d'explication scientifique.
En 585 av. J.-C., Thalès de Milet cherche pourtant à savoir de quoi est fait le monde (pour lui, tout proviendrait de l'eau) ; au Moyen Âge, on parle plus d'alchimie que de chimie. La physique renaît en Europe avec Galilée (1564-1642) puis Newton (1642-1727), qui, vers 1665, tout en s'intéressant à la gravitation, envisage déjà la lumière comme un jet de petites particules microscopiques lumineuses. Plus tard, en 1738, Bernoulli interprète les propriétés de compression ou de dilatation d'un gaz, ou son échauffement, comme le résultat de choc de « molécules » agitées.
Le chimiste français Lavoisier (1743-1794) s'intéresse aux transformations chimiques et ouvre la voie à une première interprétation microscopique des réactions. Loin des développements industriels que connaît la chimie au xixe siècle, et à une époque où l'on cherche à interpréter le comportement des gaz par des modèles moléculaires, le botaniste Brown remarque en 1827 que de fines particules de pollen en suspension dans de l'eau possèdent d'elles-mêmes un mouvement désordonné (appelé mouvement brownien). Pour autant, la notion de molécules n'y est envisagée que comme un simple modèle, et surtout pas une réalité.
Dalton, en 1808, interpréta les mélanges chimiques de gaz comme la recombinaison d'atomes entre eux ; tout matériau est constitué de petites particules, les « atomes », appelés ainsi en référence à un mot grec signifiant « insécable ».
C'est en 1905 que A. Einstein (1879 - 1955) propose une solide explication scientifique au mouvement brownien : c'est la manifestation de la réalité de « molécules » d'eau en perpétuelle agitation. Mais ces « molécules » sont difficilement observables car trop petites. Des découvertes majeures et le développement de techniques élaborées (notamment la diffraction des rayons X en 1912), nous ont ensuite permis de préciser nos connaissances et de passer du niveau de molécules à celui d'atomes, d'électrons et de noyaux. Il faut citer la mise en évidence en 1896 de la radioactivité par H. Becquerel, celle de l'électron l'année suivante par J.J. Thomson. E. Rutherford met en évidence le noyau en 1911 et J. Chadwick le neutron en 1932. En 1913, le livre Les atomes du physicien J. Perrin marque définitivement la victoire de cette théorie : c'est l'entrée de la chimie dans l'ère atomique.
Les différentes parties d'un atome
• Chaque atome est constitué d'un noyau central, chargé positivement. Ce noyau, très petit, concentre l'électricité positive de l'atome, ainsi que presque toute la masse de l'atome. Les charges positives sont portées par des protons. Pour stabiliser ces protons entre eux, le noyau comprend aussi des neutrons, qui ne portent pas de charges électriques.
On désigne par nucléons l'ensemble des neutrons et protons contenus dans le noyau. Ce nombre est caractéristique de l'atome considéré. Par exemple : un atome de fer possède 26 protons et 29 neutrons. Il est le seul atome de l'Univers à posséder 26 protons.
Typiquement, la taille d'un atome est de l'ordre de 1/10 nanomètre (soit 10−10 m). Le noyau a une dimension de l'ordre de 10−15 m.
On admet actuellement que les particules du noyau sont elles-mêmes constituées de particules : les quarks.
Zoom
De l'atome aux quarks© CEA
De l'atome aux quarks
• Autour du noyau tournent des électrons (porteurs d'une charge négative) très légers. La masse des électrons dans un atome est très faible devant celle du noyau. Chaque atome possède un nombre donné d'électrons. Un atome est électriquement neutre : il possède autant de charges positives que de charges négatives, c'est-à-dire autant d'électrons que de protons. Par exemple, un atome de fer comporte 26 électrons.
Matériaux moléculaires isolants et matériaux ioniques conducteurs
Les métaux solides (aluminium, fer, cuivre, zinc, argent, magnésium…) sont sous forme d'atomes.
Certains de leurs électrons sont capables de se déplacer librement, d'un atome à l'autre. Ce sont des électrons libres, et ils expliquent le passage du courant électrique dans les métaux conducteurs.
Dans les matériaux isolants, les électrons restent accrochés aux noyaux d'origine.
Une molécule est un assemblage d'atomes, par exemple : l'eau H2O, le dioxygène O2, le méthane CH4, le dioxyde de carbone CO2.
Du fer contenu dans les lentilles ou une eau minérale est sous forme d'ion. Un ion est un atome ou une molécule qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons : il n'est pas électriquement neutre. Les ions sont donc porteurs de charges positives ou négatives et sont, en général, très solubles dans l'eau. Certains solides sont constitués d'ions (on parle de solides ioniques), c'est le cas par exemple du sel de table (chlorure de sodium NaCl qui est en fait constitué des ions Na+ et Cl). Dans une eau minérale, on rencontre des ions chlorure Cl, des ions potassium K+, des ions sodium Na+.
Dans une solution, les solides formés d'ions ne fondent pas : ils se dissocient car les ions deviennent tous indépendants les uns des autres. La solution devient conductrice : les ions mobiles, porteurs de charges électriques, sont responsables du courant électrique dans les solutions.
Exemple : le sulfate de cuivre est un solide blanc. Mis en solution, il donne une teinte bleue à la solution car il y a dissociation du solide blanc et dispersion des deux ions Cu2+ et SO42−. Le sulfate de cuivre n'est pas conducteur, mais la solution de sulfate de cuivre l'est devenue.
Modèles microscopiques
Tableau périodique des éléments et symbole des atomes
Le tableau périodique des éléments a été élaboré par Mendeleïev en 1869 ; il donne la liste des éléments qui constituent la matière, classés du plus léger au plus lourd. Chaque atome y est représenté par un symbole. Exemples : oxygène O, carbone C, hydrogène H, azote N, sodium Na, fer Fe, cuivre Cu, chlore Cl, soufre S. Attention, selon l'histoire de la découverte de l'élément, le symbole ne correspond pas forcément à ses initiales… Ainsi, l'azote a pour symbole N.
Le tableau regroupe des atomes stables et d'autres instables (radioactifs) à faible durée de vie. On en compte actuellement au total plus d'une centaine.
Dans le cadre du modèle moléculaire, chaque atome y est représenté par une sphère. Les atomes sont classés par nombre croissant de protons.
Formule des molécules
La formule d'une molécule indique le nombre et la nature des atomes qui la constituent. L'indice désigne le nombre d'atomes présents. Ce chiffre s'inscrit juste après le symbole de l'atome correspondant. On ne mentionne dans la formule que les symboles des atomes et leur nombre, mais pas la façon dont les atomes sont liés entre eux.
Exemples : O2 (molécule de dioxygène qui contient deux atomes d'oxygène O) ; CO2 (dioxyde de carbone, qui contient un atome de carbone C et deux atomes d'oxygène O) ; CO (monoxyde de carbone qui contient un atome de carbone C et un atome d'oxygène O) ; H2O (molécule d'eau à deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène) ; CH4 (molécule de méthane).
Formule des ions
La formule des ions ressemble à celle des molécules ou des atomes, mais on porte en exposant le nombre d'électrons perdus ou gagnés. Comme les ions portent une charge électrique, une solution ionique (qui contient des ions) est conductrice du courant électrique, contrairement à de l'eau pure. Exemples : l'ion sulfate SO42−, il a 4 atomes d'oxygène (4 est en indice), et il a gagné (au total) deux électrons ; l'ion fer (II) Fe2+ est un atome de fer Fe qui a perdu deux électrons.
Passage du microscopique au macroscopique
Corps pur, corps composé
Un corps pur n'est constitué que de molécules ou d'atomes tous identiques entre eux. Bien entendu, la molécule de base peut être formée de plusieurs types d'atomes. Au contraire, dans un mélange il y a plusieurs types de molécules, d'ions ou d'atomes différents. Par exemple : de l'eau liquide pure ne contient que des molécules d'eau H2O, mais de l'eau pétillante (eau de table) contient des molécules d'eau H2O, des ions et du dioxyde de carbone dissous CO2 (qui forme les bulles de gaz).
Changement d'état
Un changement d'état pour un matériau est le passage d'un état physique donné (gaz, liquide, solide) à un autre, par exemple : fusion (passage du solide au liquide), liquéfaction (passage du gaz au liquide), solidification (passage du liquide au solide), vaporisation (passage du liquide au gaz), etc.
Dans un changement d'état, il n'y a pas de modification de la nature des espèces microscopiques. Ce n'est pas une réaction chimique. Ainsi, de l'eau liquide et de l'eau gazeuse sont des corps purs formés de molécules d'eau. Ce qui change, c'est la disposition des atomes ou molécules, leur agitation.
Exemple :
  • dans la vapeur d'eau (eau sous forme de gaz), les molécules d'eau sont espacées et très agitées, ce qui explique qu'il soit difficile de contenir un gaz ;
  • dans de l'eau liquide, les molécules sont un peu moins agitées : on peut maintenir un liquide dans un récipient ouvert, mais il peut quand même s'écouler ;
  • dans de la glace, les molécules d'eau sont piégées.
Réaction chimique
Au cours d'une réaction chimique, les molécules présentes initialement (appelées réactifs) vont en partie ou en totalité disparaître pour former de nouvelles molécules (les produits). Les atomes se conservent.
Les liaisons chimiques qui unissaient les atomes dans les molécules de départ se brisent, et d'autres liaisons se forment au cours de la réaction entre ces atomes pour former les molécules produits.
Exemple : lors de la combustion d'un morceau de bois (riche en atomes de carbone C), les atomes de carbone du bois se lient à des atomes d'oxygène O (contenus dans le dioxygène de l'air) pour donner du dioxyde de carbone. Au départ, le carbone est sous forme solide dans le bois, la réorganisation des liaisons lors de la combustion donne du gaz (CO2) et de l'eau liquide (H2O).
Réaction nucléaire
Alors qu'une réaction chimique met en jeu les électrons externes qui tournent autour des noyaux, une réaction nucléaire met en jeu les nucléons (c'est-à-dire les éléments qui constituent le noyau). Une réaction nucléaire concerne donc le cœur de la matière et transforme les atomes. Il n'y a donc pas conservation des atomes lors de ce type de réaction.

Zoom sur…

Les nanotechnologies
La nanotechnologie est de plus en plus au goût du jour : il s'agit d'un monde où les objets manipulés sont de la taille d'une molécule, c'est-à-dire quelques nanomètres (1 nm = 10−9 m, soit un milliardième de mètre).
En effet, les scientifiques sont en train de concevoir des instruments, comme le microscope à effet tunnel ou à force atomique, permettant de manipuler les molécules voire les atomes un à un (comme dans un jeu de construction). Si l'électronique a bénéficié en premier de ces efforts de miniaturisation (au milieu des années 2000, un transistor pouvait se réduire à moins de 50 nm), d'autres domaines s'emparent de la nanotechnologie, car ces industries sont pressenties pour nous ouvrir de nouveaux horizons : dans le domaine militaire (nanocapteurs, armes chimiques encapsulées, microbombes, détection infime de poussière), l'équipement militaire du fantassin français (septembre 2006) bénéficie des avancées de la nanotechnologie.
Dans le domaine médical, les nanomatériaux font leur apparition dans le traitement des tumeurs cancéreuses, mais aussi pour l'administration de médicaments ou la mise au point de nouveaux diagnostics. On envisage même de pouvoir recycler les déchets grâce à un réassemblage des molécules ou de leurs atomes…
Cependant, récemment, les nanotechnologies ont fait l'objet de critiques concernant leurs enjeux mais surtout leurs risques avérés et potentiels… Un produit commercial a ainsi rapidement été retiré du marché à cause des suffocations qu'il produisait à l'inhalation de ses nanoparticules.
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