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.
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 reconnaître une entité, regarde sa formule. Un seul symbole sans charge, c'est un atome. Plusieurs symboles liés sans charge, c'est une molécule. Une charge écrite en haut à droite, c'est 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 contient autant de charges + que de charges −, donc il est électriquement neutre. C'est l'électroneutralité.
Comment écrire la formule d'un solide ionique ?
Dans la formule d'un solide ionique, on écrit le cation en premier. On n'écrit pas les charges. On choisit les proportions des ions pour que les charges s'annulent.
Exemples : 2 Na⁺ + O²⁻ → Na₂O, c'est l'oxyde de sodium. Il faut 2 charges + pour annuler les 2 charges −. Mg²⁺ + 2 Cl⁻ → MgCl₂, c'est 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 entouré d'électrons, chargés −. Le noyau contient des protons, chargés +, et des neutrons, qui sont neutres. Les protons et les neutrons s'appellent les nucléons.
Un atome est électriquement neutre, donc il possède autant d'électrons que de protons.
Pourquoi dit-on que l'atome est essentiellement vide ?
Le noyau est environ 100 000 fois plus petit que l'atome, donc l'atome est essentiellement constitué de vide. Mais presque toute la masse de l'atome est concentrée dans le noyau.
Comment lit-on l'écriture d'un noyau ?
Un noyau se note . Z est le nombre de protons, on l'appelle le numéro atomique. A est le nombre de nucléons. Le nombre de neutrons vaut donc :
C'est Z qui définit l'élément chimique. Par exemple, un atome qui a 6 protons est toujours un atome de carbone.
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. Les deux ont Z = 6, donc ce sont bien deux noyaux de carbone. Mais ¹²C a 6 neutrons, et ¹⁴C en a 8.
Comment estimer la masse d'un atome ?
Les électrons ne pèsent presque rien. Les protons et les neutrons ont presque 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. On remplit les sous-couches dans l'ordre 1s, 2s, 2p, 3s, 3p. Une sous-couche s contient au maximum 2 électrons, une sous-couche p au maximum 6.
Vérification : la somme des exposants doit toujours redonner Z.
Que sont les électrons de valence ?
Les électrons de valence sont les électrons de la dernière couche occupée. Ce sont eux qui déterminent les liaisons et les ions que forme l'atome.
Le tableau périodique t'aide à trouver ces électrons de valence. La ligne donne le nombre de couches occupées. Dans les trois premières lignes, le nombre d'électrons de valence est le chiffre des unités du numéro de la colonne. Par exemple, le soufre est dans la colonne 16, donc il a 6 électrons de valence. Attention, l'hélium est dans la colonne 18, mais il n'a que 2 électrons de valence.
Pourquoi les atomes forment-ils toujours le même ion ?
Les gaz nobles, comme l'hélium, le néon et l'argon, ont une configuration électronique très stable. C'est pourquoi ils ne réagissent presque jamais. Pour leur ressembler, les autres atomes forment des ions monoatomiques, ou ils s'associent en molécules.
Un atome gagne ou perd le moins d'électrons possible pour avoir 2 ou 8 électrons de valence, comme un gaz noble. Avoir 2 électrons de valence, comme He, c'est le duet. Avoir 8 électrons de valence, comme Ne et Ar, c'est l'octet.
Exemples : le sodium Na (Z = 11) a pour configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Il perd 1 électron pour ressembler au néon, donc il forme Na⁺. Le chlore Cl (Z = 17) a pour configuration 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁵. Il gagne 1 électron pour ressembler à l'argon, donc il forme Cl⁻.
À RETENIR : quand un atome devient un ion, il ne change que le nombre d'électrons. Son noyau reste le même : 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. Ce nombre de liaisons, c'est son nombre de « bras ».
Que représente un schéma de Lewis ?
Le schéma de Lewis représente les électrons de valence. Un trait entre deux atomes est un doublet liant : il représente 2 électrons partagés, donc une liaison. Un trait posé sur un seul atome est un doublet non liant.
Qu'est-ce que l'énergie de liaison ?
Casser une liaison coûte de l'énergie. Cette énergie à fournir s'appelle l'énergie de liaison. Entre deux mêmes atomes, plus la liaison compte de doublets liants, plus elle est difficile à rompre.
Ces valeurs s'expriment en kJ.mol⁻¹. Tu reverras cette unité plus tard, avec la mole. Pour l'instant, tu compares simplement ces valeurs entre elles.
Exemple : dans le diazote N₂ de l'air, les deux atomes sont reliés par une triple liaison. C'est la plus solide des quatre liaisons du graphique, donc le diazote ne réagit presque jamais.