Atomes et molécules

Retour en sec2 :

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 Symbole

Carbone C

Hydrogène H

Oxygène O

Azote N

Calcium Ca

Phosphore P

Sodium Na

Souffre 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 (16

O).

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 (17

O ). 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 : 12

C (99%), 13

C. Le carbone 14, l’isotope 14

C, 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 14

C, 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+

+ O2-

CuO (autant de charges + que -)

Chlorure de Fer

Fe3+

+ Cl- FeCl3 (3+ et 1- donc on mettra 3 Cl pour équilibrer, 3Cl

- et Fe

3+)

Oxyde d'Aluminium

Al3+

+ O2-

Al2O3 Dans 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.