La matière est formée d'éléments. Un élément est une substance impossible à décomposer en d'autres substances plus simples au cours de réactions chimiques. C'est le fameux tableau périodique. Un composé est une substance formée de deux ou plusieurs éléments combinés dans des proportions définies. Les humains ont besoin de 25 éléments et les végétaux de 17.
Quatre éléments forment 96% de la biomasse : oxygène (O), carbone (C), hydrogène (H) et azote (N). Ce sont les éléments majeurs.
Quelques autres éléments forment l'essentiel restant, notamment : calcium (Ca), phosphore (P), potassium (K), souffre (S). Ce sont les éléments mineurs.
L'organisme a besoin de certains éléments en quantités infimes, ce sont les oligoéléments, par exemple le fer (Fe), indispensable à toutes formes de vie. D'autres sont spécifiques à certaines espèces, comme l'iode (I) pour les humains.
Les propriétés d'un élément sont déterminées par la structure de ses atomes. L'atome est lui-même formé de parties encore plus petites, les particules élémentaires. Les principales sont :
- Les neutrons, qui sont électriquement neutres.
- Les protons, qui possèdent une unité de charge positive (+).
- Les électrons, qui possèdent une unité de charge négative (-).
Les protons et les neutrons sont au centre de l'atome et forment un noyau dense, le noyau atomique. Les protons confèrent au noyau une charge positive. Les électrons forment un nuage de charge négative autour du noyau. C'est l'attraction de la charge positive du noyau qui les retient dans son voisinage.
Le neutron et le proton possèdent une masse quasiment identique, de l'ordre de 1 dalton, l'unité de mesure utilisée à cette échelle. La masse d'un électron ne représente que 1/2000 de celle d'un neutron ou d'un proton.
Tous les atomes d'un même élément ont un nombre égal de protons dans leur noyau. Ce nombre, le numéro atomique, est placé en indice à gauche du symbole de l'élément. Par exemple, ₂He montre que chaque atome d'hélium a deux protons dans son noyau. Sauf indication contraire, un atome est électriquement neutre, donc il a autant d'électrons que de protons. Donc, dans un atome électriquement neutre, le numéro atomique indique à la fois le nombre de protons et le nombre d'électrons.
Il est possible de déduire le nombre de neutrons à partir du nombre de masse, qui correspond à la somme des protons et neutrons contenus dans le noyau d'un atome. Il est indiqué sous forme d'un exposant à gauche du symbole de l'élément. Par exemple, pour l'hélium : ⁴₂He. (Attention : les deux chiffres doivent être l'un sur l'autre, mais je suis ici limité par les possibilités de mise en page.)
Pour trouver le nombre de neutrons, il faut donc soustraire le numéro atomique du nombre de masse : 4-2=2 neutrons.
Autre exemple avec le sodium : ²³₁₁Na
- Le nombre de masse, en haut = nombre de protons + nombre de neutrons.
- Le numéro atomique, en bas = nombre de protons = nombre d'électrons (s'il s'agit d'un atome neutre)
- Pour trouver le nombre de neutrons, on fait 23-11=12 neutrons.
- Et comme les électrons ont une masse très faible, le nombre de masse est une bonne estimation de la masse totale de l'atome en daltons.
Les différentes formes atomiques d'un élément, c'est-à-dire selon leur nombre variable de neutrons dans le noyau, sont nommées isotopes. Tous les atomes d'un élément donné possèdent le mème nombre de protons. Les différents isotopes d'un élément se comportent similairement dans les réactions chimiques.
Par exemple, la forme la plus courante de carbone est de loin ¹²₆C, c'est le carbone 12. Le célèbre carbone 14 est noté ainsi : ¹⁴₆C. Le premier a 6 neutrons (12-6=6), le second en a 8 (14-6=8).
Les isotopes ¹²C et ¹³C sont stables, c'est-à-dire que leur noyau n'a pas tendance à perdre de particules subatomiques (désintégration). Par contre, ¹⁴C est radioactif, c'est un radio-isotope. Lorsque cette désintégration radioactive (nucléaire) donne lieu à une modification du nombre de protons présents dans le noyau, l'atome se transforme en un atome d'un autre élément. Par exemple, lorsqu'un atome de ¹⁴C se désintègre, il perd un neutron et devient un atome d'azote ¹⁴N (je ne comprends pas pourquoi, mais on verra plus tard je suppose). (Et explication plus détaillée de la datation au ¹⁴C p.34.)
En médecine, les radio-isotopes, qui sont utilisables par le corps comme les isotopes plus classiques, peuvent servir de traceurs radioactifs. Ils servent aussi pour la datation radiométrique : un isotope radioactif se désintègre à une vitesse fixe et se transforme en sa version plus stable. La demi-vie est le temps nécessaire à la désintégration de 50% de l'isotope de départ. Chaque isotope radioactif a une demi-vie fixe et caractéristique. On mesure le taux de divers isotopes et on calcule combien de demi-vies se sont écoulées depuis la fossilisation de l'organisme étudié ou la formation d'une roche (en somme, depuis que l'objet étudié a cessé d'intégrer de la matière nouvelle). La demi-vie des isotopes s'étale de quelques secondes à 4,5 milliards d'années pour l'uranium 238.
Les niveaux énergétiques des électrons. Les atomes sont constitués essentiellement d'espace vide ; et généralement, seuls les électrons, qui sont aux frontières de l'atome, participent directement aux réactions chimiques entre les atomes. Chaque électron possède sa propre quantité d'énergie. L'énergie est la capacité à provoquer un changement. L'énergie potentielle est l'énergie que la matière possède grâce à sa structure ou à sa position par rapport à d'autres objets. La tendance naturelle de la matière est d'occuper le niveau d'énergie potentielle le plus bas possible.
Plus les électrons sont sur des couches éloignées du noyau, plus leur énergie potentielle est élevée, étant donné qu'un électron (négatif) est naturellement attiré par le noyau (positif). Le niveau énergétique d'un électron est donc lié à sa distance du noyau.
Un électron peut passer d'une couche à une autre, mais seulement en absorbant ou en perdant une quantité d'énergie égale à la différence d'énergie potentielle entre l'ancienne couche et la nouvelle. Pour atteindre une couche plus éloignée du noyau, l'électron doit absorber de l'énergie, et pour se rapprocher du noyau, il doit en perdre, souvent en la libérant sous forme de chaleur. Ainsi, quand les rayons du soleil excitent les électrons contenus à la surface d'une voiture, ceux-ci passent à des niveaux énergétiques supérieurs ; mais la "chaleur" n'apparait que quand les électrons regagnent leur niveau énergétique initial en rapprochant du noyau.
Dans le tableau périodique, les éléments sont classés (entre autres) par leur nombre de couches électroniques : la ligne du haut a une couche, la seconde deux couches, etc. La première couche ne peut contenir que deux électrons, c'est pourquoi la première rangée du tableau ne contient que deux éléments (voir p.36). Si un atome possède plus d'électrons, ils sont répartis dans les couches électroniques supérieures. La deuxième couche peur contenir un maximum de huit électrons. Les propriétés chimiques d'un atome dépendent beaucoup du nombre d'électrons présents dans sa couche périphérique, on nomme ces électrons les électrons de valence.
Les atomes qui ont le même nombre d'électrons de valence affichent un comportement chimique semblable (et semblent classés en lignes verticales dans le tableau périodique). Les éléments dont la couche périphérique contient déjà le nombre maximal d'électrons possibles sont inertes chimiquement.
Les atomes interagissent avec d'autres atomes de façon à remplir leur couche électronique périphérique. Soit ils mettent en commun leurs électrons de valence, soit ils les transfèrent complètement. Cela fait, ils sont retenus par des forces d'attraction nommées liaisons chimiques.
Les liaisons covalentes sont les plus fortes : c'est quand deux atomes mettent en commun une ou plusieurs paires d'électrons de valence. Elles ne se brisent pas facilement dans l'eau, contrairement aux liaisons ioniques. Par exemple, quand deux atomes d'hydrogène s'approchent, chacun contenant un seul électron sur la première couche électronique qui peut en contenir deux, ils se combinent et forment une molécule d'hydrogène, alias dihydrogène. Quand ils sont unis par une liaison covalente, deux atomes ou plus forment une molécule.
Concernant les questions de notation, il n'y a pas les options de mise en page pour bien le faire ici, alors j'insère une image qui résume :
Chaque atome qui peut mettre en commun des électrons de valence possède une capacité de liaison correspondant au nombre de liaisons covalentes qu'il peut établir : cette capacité de liaison est donnée par le nombre d'oxydation d'un atome. Il représente le nombre d'électrons qu'un atome doit perdre (-), gagner (+) ou mettre en commun pour remplir son dernier niveau énergétique.
Les molécules H₂ et O₂ constituent des éléments purs et non des composés, car un composé est une combinaison de deux ou plusieurs éléments différents. L'eau (H₂O) est un composé : il faut deux atomes d'hydrogène pour combler le dernier niveau énergétique d'un atome d'oxygène.
Par exemple, pour le méthane (CH₄), un composé, il faut quatre atomes d'hydrogène (nombre d'oxydation +1) pour combler le dernier niveau énergétique d'un atome de carbone (nombre d'oxydation ± 4).
Les atomes ou molécules non appariées (ou célibataires) sont des radicaux libres, substances instables et réactives car en "recherche" d'électrons manquants.
Plus un atome est électronégatif, plus il attire vers lui les électrons mis en commun. Dans une liaison covalente entre deux atomes du même élément, le partage est égal, car ils ont la même électronégativité. C'est une liaison covalente non polaire. Quand un atome est lié à un autre plus électronégatif, les électrons de la liaison ne sont pas partagés également : c'est une liaison covalente polaire. Par exemple, l'oxygène est un élément très électronégatif, en conséquence, dans une liaison entre oxygène et hydrogène (H₂O), les électrons passent plus de temps autour du noyau de l'oxygène que du noyau de l'hydrogène.
Comme les électrons possèdent une charge négative et qu'ils sont attirés vers l'oxygène dans une molécule d'eau, l'atome d'oxygène possède une charge partielle négative (δ- alias delta moins), et chacun des atomes d'hydrogène possède une charge partielle positive (δ+).
Si deux atomes proches exercent des attractions si inégales sur leurs électrons de valence que le plus électronégatif arrache complètement un électron à l'autre atome, les deux atomes ou molécules de charge opposées qui en découlent se nomment des ions.
- Un ion chargé positivement (+) est un cation.
- Un ion chargé négativement (-) est un anion.
En raison de leurs charges opposées, cations et anions s'attirent mutuellement et forment des liaisons ioniques. Ce n'est pas le transfert d'électron qui forme la liaison, c'est l'opposition des charges ainsi créées. Le transfert n'est pas nécessaire, l'opposition des charges peut suffire. L'électron transféré est comme une unité de charge négative.
Dans le cas du transfert du seul électron de la couche extérieure d'un atome de sodium (Na) vers un atome de chlore (Cl) auquel il manquait un électron pour remplir sa couche extérieure, le premier se retrouve avec 11 protons pour 12 électrons, d'où la charge positive 1+ (il est devenu un cation), et le second avec 17 protons pour 18 électrons, d'où la charge négative 1- (il est devenu un anion).
Les composés formés par des liaisons ioniques sont appelés composés ioniques ou sels. Dans la nature, les sels ont souvent l’apparence de cristaux. Les composés covalents sont constitués de molécules ayant une taille et un nombre d'atome déterminé, mais ce n'est pas le cas des composés ioniques : la formule d'un composé ionique (NaCl pour le sel alias chlorure de sodium) indique seulement le rapport entre les éléments que le cristal renferme. NaCl ne représente pas une molécule, mais un réseau d'ion sodium et d'ions chlorure en proportions égales. Mais tous les sels ne possèdent pas un nombre égal de cations et d'anions. Dans ce cas, certains atomes devenus cations se font "voler" plusieurs électrons de valence et peuvent donc former des liaisons ioniques avec plusieurs anions. (Le terme ion s'applique aussi a des molécules entières porteuses de charges électriques.)
L'environnement influe sur la force des liaisons ioniques : le sec favorise des liaisons fortes, alors que les molécules d'eau viennent s’interposer entre les ions : c'est la dissolution
Chez les êtres vivants, la liaison la plus forte est la liaison covalente, mais d'autres plus faibles sont non moins indispensables : ce sont les interactions chimiques faibles. Elles ont notamment l'avantage de la réversibilité. La liaison ionique est une interaction chimique faible. Deux autres sont :
- La liaison hydrogène. Lorsqu'un atome d'hydrogène se lie par covalence à un atome électronégatif, il a une charge partielle positive qui lui permet de subir l'attraction d'un autre atome électronégatif situé à proximité. La liaison hydrogène est cette attraction entre un atome d'hydrogène et un atome électronégatif.
- Les forces de Van der Waals. Même une molécule avec des liaisons covalentes non polaires peut avoir des régions chargées positivement et d'autres négativement, à cause de la répartition aléatoire des électrons à moment donné. Donc, ces molécules s’attirent mutuellement : ce sont les forces, ou interactions, de Van der Waals. C'est ainsi que le gecko escalade les murs : l'anatomie de ses membres multiplie les surfaces de contact, à l'aide poils minuscules, et les forces de Van der Waals sont multipliées suffisamment pour porter son poids.
Le nuage d'électrons autour du noyau des atomes n'est pas que circulaire. La première couche électronique qui contient 2 atomes possède une forme sphérique et s'appelle 1s. La seconde couche électronique possède une orbitale sphérique plus grande (2s) ainsi que trois orbitales en 8 (2p,) chacune sur l'axe x, y ou z. Chaque orbitale contient deux électrons au maximum. Dans une liaison covalente, ces quatre orbitales de la dernière couche électronique se réarrangent en quatre orbitales hybrides qui prennent chacune la forme d'une goutte d'eau qui émerge du noyau. En reliant les extrémités de ces "gouttes" par des lignes, on obtient un tétraèdre.
Ces propriétés ont des impacts sur les molécules, dont la taille et la forme tridimensionnelle contribue fortement à leur fonction : c'est la géométrie moléculaire. La forme tétraédrique que prend un atome de carbone uni à quatre autres atomes est un motif courant. C'est grâce à cette géométrie moléculaire que la plupart des molécules se reconnaissent et interagissent. Les molécules peuvent se lier temporairement grâce aux interactions faibles, mais seulement si elles ont une forme complémentaire.
La formation et la rupture des liaisons chimiques constituent les réactions chimiques. Par exemple :
2 H₂ + O₂ → 2 H₂O
Dans cette réaction, les liaisons covalentes de H₂ et O₂ sont rompues, mais de nouvelles liaisons sont établies. C'est la flèche qui symbolise la réaction chimique entre les réactifs (substances de départ) et les produits (substances nouvelles). Le 2 devant le H est le coefficient qui indique le nombre de molécules participantes. Dans toute réaction chimique, la matière est conservée. Elle est "juste" réarrangée.
Par exemple, la réaction de photosynthèse, en résumé :
6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂
6 dioxyde de carbone + 6 eau → glucose + 6 oxygène
C'est la lumière du soleil qui fournir l'énergie nécessaire à la réaction.
En théorie, toutes les réactions chimiques sont réversibles, les produits d'une première réaction devenant les réactifs. Par exemple, une réaction réversible avec le symbole qui indique cette réversibilité :
3 H₂ + N₂ ⇌ 2 NH₃
3 dihydrogène + diazote ⇌ 2 ammoniac
Plus les réactifs sont concentrés, et plus leurs molécules s'entrechoquent et ont l'occasion de régir entre elles et de former des produits, qui eux-mêmes subissent ce phénomène. L'équilibre chimique est atteint au moment où les réactions inverses s'annulent : les réactions continent dans les deux sens, mais s'annulent.
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