M3 · Voir l'invisible
1. Les trois familles d'entités
De quoi la matière est-elle faite à l'échelle microscopique ?
À l'échelle microscopique, la matière est constituée d'entités minuscules, séparées par du vide. Il en existe trois familles.
Les trois familles d'entités : l'atome (une seule « brique »), la molécule (des atomes liés ensemble) et l'ion (chargé + ou −)
Qu'est-ce qu'un atome, une molécule, un ion ?
- L'atome : la « brique » de base de la matière, électriquement neutre.
- La molécule : un assemblage d'atomes liés entre eux, globalement neutre.
- L'ion : un atome (ou un groupe d'atomes) qui a gagné ou perdu un ou plusieurs électrons. Un ion positif est un cation, un ion négatif est un anion.
Exemples : Cu (un atome de cuivre) ; H₂O (une molécule d'eau) ; Na⁺ (un cation) ; Cl⁻ (un anion).
À RETENIR : pour lire une formule — un seul symbole sans charge = un atome ; plusieurs symboles liés sans charge = une molécule ; une charge écrite en haut à droite = un ion.
2. Les solides ioniques et l'électroneutralité
Qu'est-ce qu'un solide ionique ?
Un solide ionique est un empilement régulier et géant de cations et d'anions. Il est électriquement neutre : il contient autant de charges + que de charges −. C'est l'électroneutralité.
Le cristal de chlorure de sodium : 1 ion Na⁺ pour 1 ion Cl⁻, bilan des charges nul
Comment écrire la formule d'un solide ionique ?
Sa formule s'écrit avec le cation en premier, sans écrire les charges, et avec des proportions qui annulent les charges.
Exemples : 2 Na⁺ + O²⁻ → Na₂O (il faut 2 charges + pour annuler les 2 charges −) : c'est l'oxyde de sodium. Mg²⁺ + 2 Cl⁻ → MgCl₂ : le chlorure de magnésium.
Le nom se construit ainsi : nom de l'anion + « de » + nom du cation.
⚠️ Attention : « NaCl » ne désigne pas une molécule ! Il n'existe pas de « molécule de sel » : la formule indique seulement la proportion des ions dans l'empilement (1 Na⁺ pour 1 Cl⁻).
3. L'atome et son noyau
Comment un atome est-il constitué ?
Un atome est constitué d'un noyau (des protons, chargés +, et des neutrons, neutres : ce sont les nucléons) entouré d'électrons, chargés −.
Un atome étant électriquement neutre, il possède autant d'électrons que de protons.
L'atome mesure environ 10⁻¹⁰ m, son noyau environ 10⁻¹⁵ m : entre les deux, du vide
Pourquoi dit-on que l'atome est essentiellement vide ?
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome : l'atome est donc essentiellement constitué de vide. En revanche, presque toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau.
Comment lit-on l'écriture d'un noyau ?
Un noyau se note , où Z est le nombre de protons (le numéro atomique) et A le nombre de nucléons. Le nombre de neutrons vaut donc :
C'est Z qui définit l'élément chimique : 6 protons, c'est du carbone, toujours.
Que sont deux isotopes ?
Deux isotopes ont le même Z mais un nombre de neutrons différent.
Exemple : ¹²C et ¹⁴C sont deux isotopes du carbone : tous deux ont Z = 6 (c'est bien du carbone), mais 6 neutrons pour l'un et 8 pour l'autre.
Comment estimer la masse d'un atome ?
Les électrons ne pèsent presque rien, et protons et neutrons ont quasiment la même masse. On compte donc simplement les nucléons :
- m(atome) : masse de l'atome (en kg) ;
- A : nombre de nucléons (sans unité) ;
- m(nucléon) ≈ 1,67×10⁻²⁷ kg.
Exemple : masse d'un atome de carbone 12 : m ≈ 12 × 1,67×10⁻²⁷ = 2,0×10⁻²⁶ kg.
4. Les électrons : couches, sous-couches et stabilité
Comment les électrons se rangent-ils autour du noyau ?
Les électrons d'un atome se répartissent en couches et en sous-couches, remplies dans l'ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Une sous-couche s contient au maximum 2 électrons, une sous-couche p au maximum 6.
Les sous-couches se remplissent de bas en haut : 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Exemple de l'oxygène (Z = 8) : 1s² 2s² 2p⁴
Vérification : la somme des exposants doit toujours redonner Z.
Que sont les électrons de valence ?
Les électrons de valence sont ceux de la dernière couche occupée : ce sont eux qui décident de la chimie de l'atome.
On peut les lire directement dans le tableau périodique : la ligne donne le nombre de couches occupées, la colonne donne le nombre d'électrons de valence.
Les 18 premiers éléments : la ligne donne le nombre de couches, la colonne donne le nombre d'électrons de valence et la configuration de valence
Pourquoi les atomes forment-ils toujours le même ion ?
Les gaz nobles (hélium, néon, argon) possèdent une configuration électronique particulièrement stable : ils ne réagissent presque jamais. Les autres atomes évoluent pour leur ressembler : ils forment des ions monoatomiques, ou s'associent en molécules.
Un atome gagne ou perd le moins d'électrons possible pour atteindre 2 électrons de valence (duet, comme He) ou 8 (octet, comme Ne et Ar).
Exemples : le sodium Na (Z = 11 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹) perd 1 électron pour ressembler au néon → il forme Na⁺. Le chlore Cl (Z = 17 : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵) gagne 1 électron pour ressembler à l'argon → il forme Cl⁻.
À RETENIR : la charge de l'ion ne change que le nombre d'électrons, jamais le noyau. Na et Na⁺ ont exactement le même Z et le même A.
5. Les molécules et le schéma de Lewis
Comment les atomes se lient-ils dans une molécule ?
Dans une molécule, les atomes se lient en partageant des électrons. Chaque électron partagé compte pour les deux atomes à la fois : un atome forme donc autant de liaisons qu'il lui manque d'électrons pour compléter sa dernière couche. C'est son nombre de « bras ».
Nombre de liaisons de chaque atome : H → 1 ; O → 2 ; N → 3 ; C → 4 ; Cl et F → 1
Que représente un schéma de Lewis ?
Le schéma de Lewis représente les électrons de valence : un trait entre deux atomes est un doublet liant (2 électrons partagés = une liaison) ; un trait posé sur un atome est un doublet non liant.
Schéma de Lewis de l'eau : les traits entre H et O sont des doublets liants, les traits posés sur O des doublets non liants
Qu'est-ce que l'énergie de liaison ?
Casser une liaison coûte de l'énergie : c'est l'énergie de liaison. Plus une liaison met en jeu de doublets liants, plus elle est difficile à rompre.
Énergie à fournir pour rompre une liaison : simple C–C 348, double C=C 614, triple C≡C 839, triple N≡N 946 (valeurs comparatives)
Exemple : dans le diazote N₂ de l'air, les deux atomes sont reliés par une triple liaison, la plus solide du tableau. C'est pour cela que le diazote ne réagit presque jamais.