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 Carbone Hydrogène Oxygène Azote Calcium Phosphore Sodium Souffre Symbole C H O N Ca P Na 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%), 2 H (deutérium), 3 H (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 Cu 2+ + O 2- CuO (autant de charges + que -) Chlorure de Fer Fe 3+ + Cl - FeCl 3 (3+ et 1- donc on mettra 3 Cl pour équilibrer, 3Cl - et Fe 3+ ) Oxyde d'aluminium Al 3+ + O 2- Al 2 O 3 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 (H 2 O) a le potentiel de se lier simultanément par lien hydrogène à 4 autres molécules d'eau. Ce type de liaison est faible.