Atomes et molécules
ions et isotopes.


1. Atomes et molécules.

          1.1 Les atomes.

Monsieur Mendeleïev La matière, qu'elle soit solide, liquide ou gazeuse, est constituée d'atomes. L'éthymologie du mot atome signifie "que l'on ne peut couper".
Il semble évident que selon la matière, les atomes qui la constituent sont de natures différentes.
On désigne en chimie chaque élément (atome) par un symbole. Ces éléments ont été regroupés dans le tableau de Mendeleïev ci-dessous.
Tableau périodique des éléments
(Tableau de Mendeleïev)
1
H		 2
He
3
Li		 4
Be		 5
B		 6
C		 7
N		 8
O		 9
F		 10
Ne
11
Na		 12
Mg		 13
Al		 14
Si		 15
P		 16
S		 17
Cl		 18
Ar
19
K		 20
Ca		 21
Sc		 22
Ti		 23
V		 24
Cr		 25
Mn		 26
Fe		 27
Co		 28
Ni		 29
Cu		 30
Zn		 31
Ga		 32
Ge		 33
As		 34
Se		 35
Br		 36
Kr
37
Rb		 38
Sr		 39
Y		 40
Zr		 41
Nb		 42
Mo		 43
Tc		 44
Ru		 45
Rh		 46
Pd		 47
Ag		 48
Cd		 49
In		 50
Sn		 51
Sb		 52
Te		 53
I		 54
Xe
55
Cs		 56
Ba		 57
La		 72
Hf		 73
Ta		 74
W		 75
Re		 76
Os		 77
Ir		 78
Pt		 79
Au		 80
Hg		 81
Tl		 82
Pb		 83
Bi		 84
Po		 85
At		 86
Rn
87
Fr		 88
Ra		 89
Ac
58
Ce		 59
Pr		 60
Nd		 61
Pm		 62
Sm		 63
Eu		 64
Gd		 65
Tb		 66
Dy		 67
Ho		 68
Er		 69
Tm		 70
Yb		 71
Lu
90
Th		 91
Pa		 92
U		 93
Np		 94
Pu		 95
Am		 96
Cm		 97
Bk		 98
Cf		 99
Es		 100
Fm		 101
Md		 102
No		 103
Lw

Dans ce tableau sont classés les éléments connus.
Des liens ont été placés sur quelques éléments pour que vous en découvriez les propruétés.

Voici quelques symboles:
Hydrogène: H       Oxygène: O       Azote: N       Cuivre: Cu       Fer: Fe
Mercure: Hg       Or: Au       Zinc: Zn       Aluminium: Al       Chlore: Cl       etc...

La structure d'un atome est comparable à celle de notre système solaire:
Au centre : le noyau dans lequel on trouve les protons positifs et les neutrons ne portant pas de charge électrique.
Autour du noyau tournent les électrons portant une charge électrique négative.
En valeur absolue, électrons et protons portent la même charge égale à 1,6 x10-19 C (Coulomb)
Dans un atome, les protons et les électrons sont en nombres égaux. Cela explique que la matière soit électriquement neutre car les atomes qui la constituent portent une charge électrique nulle, protons et électrons se neutralisant mutuellement.

Les électrons ne sont pas répartis au hasard autour du noyau de l'atome. Ils viennent remplir progressivement les couches K, L, M, N, etc
La couche K est saturée à 2 électrons c'est-à-dire qu'elle n'en comportera jamais plus de 2.
La couche L est saturée à 8 électrons.
La couche M est saturée à 18 électrons.
En fait les couches sont saturées à 2n2 électrons. n=1 correspond à la couche K, n=2 à la couche L, n=3 à la couche M, etc...
Dans les couches, les électrons se répartissent en sous-couches (nous n'en parlerons pas ici).
Quelques exemples.
L'atome d'hydrogène est le plus simple des atomes. Son noyau ne contient pas de neutron. La couche K ne contient qu'un seul électron. Cet électron, l'atome d'hydrogène a tendance à le perdre pour donner naissance à un ion positif H+. Nous étudierons les ions un peu plus loin.

L'atome d'hélium (He) a sa couche K remplie car elle contient 2 électrons. De ce fait ce gaz rare de l'air est dit inerte car les atomes d'hélium ne réagissent pas avec d'autres atomes. Tous les gaz rares de l'air (ils se trouvent dans la dernière colonne du tableau de Mendeleïev à droite) ont leur dernière couche électronique remplie à 8 électrons. C'est parfois la dernière sous-couche d'une couche qui est dans ce cas. Ils sont inertes.
       1.2 Les molécules.

Très souvent, les atomes s'unissent pour former des groupements appelés mol'cules. En fait dans ces unions, les atomes tendent à acquérir une structure électronique stable donc saturée en électrons dans leur dernière couche ou sous-couche quitte à se partager des électrons.

        nbsp;        Exemples.
Comme vous le voyez, chaque atome d'hydrogène met en commun son électron. Chaque atome a ainsi la configuration électronique de l'hélium. La molécule de dihydrogène est un composé chimique stable.
Dans l'état liquide de la matière, les molécules roulent les unes sur les autres. Dans l'état gazeux, elles occupent tout l'espace et s'agitent en tous sens.

2. Les ions.

Dans certaines conditions, certains atomes s'ionisent. Certains sont alors positifs. On les appelle alors cations.
D'autres vont alors être négatifs. On les appelle alors anions.
Que se passe-t-il lors d'une ionisation?
ATOME ET ION SODIUM.
Structures électroniques de l'atome et de l'ion sodium. L'atome de sodium a la structure électronique suivante:
Couche K: 2 électrons (remplie).
Couche L: 8 électrons (remplie).
Couche M: 1 électron.
Pour acquérir une structure électronique comportant 8 électrons sur la dernière couche ou sous-couche, l'atome de sodium a donc intérêt à perdre l'électron de sa couche M. C'est ce qu'il se passe lors de l'ionisation de l'atome de sodium.
En perdant cet électron, l'atome de sodium se retrouve avec 10 électrons (négatifs). Le nombre de protons (positifs) contenus dans le noyau n'ayant pas changé, l'atome n'est plus électriquement neutre. Il possède un excès d'une charge positive. Il est devenu ion positif appelé cation et noté par Na+.
L'ionisation est donc une modification de la structure électronique des atomes.
ATOME CHLORE ET ION CHLORURE.
Dans cet autre ecemple du chlore, la situation est inversée.
L'atome de chlore possède 17 électrons répartis comme le montre la figure ci-contre.
2 électrons sur la couche K (complète).
8 électrons sur la couche L (complète>. 7 électrons sur la couche M.
L'atome de chlore pour acquérir une structure électronique stable a intérêt à récupérer 1 électron de façon à ce que sa couche M en comporte 8.
C'est ce qu'il se passe lors de l'ionisation des atomes de chlore.

Les ions chlorures comportent 18 électrons. Chacun d'eux a donc un excédent de 1 charge négative puisque le nombre de protons contenus dans le npyau est inchangé (17). L'ion est donc une fois négatif. Cet ion négatif est appelé anion. Il est noté Cl-.

L'ionisation du chlorure de sodium (NaCl), nom savant pour désigner le sel de cuisine se produit quand vous mettez du sel dans votre soupe.
Il y a ionisation simultanée des atomes de sodium et de chlore. L'électron perdu par les atomes de sodium est immédiatement récupéré par les atomes de chlore. Il n'y a donc pas d'électrons en vadrouille!
Cela donne:
ionisation des atomes de sodium: Na ----> Na+ + é
Ionisation des atomes de chlore: Cl + é ---> Cl-
-----------------------------------------------------------------------------------
Bilan:                                       NaCl -----> Na+ + Cl-

Remarque:

Anions et cations ne sont pas toujours des atomes dont la structure électronique a changé. Ce peut être des groupements d'atomes (nitrate, sulfate, hydroxyde, etc...).

Quelques cations: Cuicre: Cu2+       Zinc: Zn2+      Fer: Fe2+ et Fe3+       Aluminium: Al3+      Sodium: Na+
Nitrate: NH4+

Quelques anions: sulfate: SO42-       hydroxyde: HO-       Oxygène: O2-       Chlorure: Cl-

Vous pouvez aussi afficher les animations des atomes suivants: hydrogène (le plus simple des atomes,
Carbone
Sodium
Chlore

3. Le courant dans les liquides conducteurs (électrolytes).

Un électrolyte est une solution ionique. C'est-à-dire une solution contenant des ions (catios et anions).
Vous pouvez acquérir du sulfate de cuivre bleu et le diluer. Vous obtenez une solution contenant des ions Cu2+ et des ions sulfate SO42-. A remarguer que les anions SO42- et les cations Cu2+ sont présents en nombres égaux dans la solution. De ce fait la neutralité électrique de cette solution est respectée comme dans toute matière.

Vous pouvez réaliser à la maison l'électrolyse de cette solution.
Matériel à se procurer:
-- Du sulfate de cuivre.
-- Une batterie 12 V bien chargée.
-- Des fils de connexion.
-- Une petite bassine avec de l'eau.
-- Un fil de cuivre. Bien veiller à ce qu'il ne soit pas verni, ce qui sera le cas si vous le récupérez sur une vieille bobine.
-- Un cylindre de charbon (récupéré dans une pile ronde usagée et nettoyé).
Electrolyse (mise en oeuvre).
Voici ci-contre le montage à réaliser pour l'électrolyse d'une solution de sulfate de cuivre.
Attention! Il ne faut ni mettre en contact les 2 électrodes (court-circuit), ni trop les écarter (résistance trop importante). Un écartement entre 2 et 3 cm me paraît raisonnable.
Les observations sont très rapides. Laisser le circuit fermé entre une 1/2 h à 3/4 h.
ELECTROLYSE. OBSERVATIONS.
A l'anode:
On peut voir que le fil de cuivre qui sert d'anode (électrode positive) est rongé. Si vous avez choisi un fil de faible section, celui-ci finit par disparaître complètement!!

A la cathode:
On voit que la cathode (électrode négative) se recouvre d'une couche de cuivre métal.
Electrolyse. Explications.
A l'anode:
Les atomes de cuivre cèdent 2 électrons pour passer à l'état d'ion Cu2+ qui passent dans la solution. Cela explique que le fil servant d'anode soit "rongé" progressivement pour finalement disparaître.
On peut écrire: Cu ----> Cu2+ + 2é

A la cathode:
Les ions Cu2+ viennent récupérer les 2 électrons qui leur manquent pour redevenir atomes de cuivre métal. Cela explique que la cathode se recouvre de cuivre.
On peut écrire: Cu2+ + 2é -----> Cu

Un ion cuivre passe en solution à l'anode chaque fois qu'un atome de cuivre se dépose à la cathode.
On constate aussi qu'à l'extérieur du générateur (batterie), les électrons circulent de la borne - vers la borne + alors que c'est l'inverse à l'intérieur du générateur. Nous reverrons cela dans le chapitre suivant.

Cette électrolyse est utilisée dans l'industrie pour qalvaniser (recouvrir de zinc), chromer, étamer (recouvrir d'étain), etc...


3. Les isotopes.

La nature n'a pas fait les choses aussi simplement que ce qui vous a été exposé jusqu'à présent. En effet la structure des atomes telle qu'elle vous a été exposée peut avoir quelques variantes.
Si ce qui vous a été dit concernant le nombre des protons (contenus dans le noyau de l'atome) et le nombre des électrons qui tournent autour de celui-ci reste vrai, la constitution du noyau peut varier au niveau des neutrons.
Définition: On appelle isotopes des éléments occupant la même case dans le tableau périodique de MendeleÏev.
        Exemples.
Isotopes de l'hydrogène: La case de l'hydrogène dans le tableau de Mendeleïev est occupée par 3 isotopes. S'ils ont en commun le fait de posséder tous les 3 un proton et un électron, leur noyau est différent.
L'hydrogène léger (le plus courant) a un noyau fait d'un proton. Il est noté 1H.
Le deutérium noté 2H a un noyau contenant un proton et un neutron donc 2 particules (nucléons) d'où 2H.
Le tritium noté 3H a dans son noyau 2 neutrons et un proton.

Sur le même modèle le carbone possède 3 isotopes: 12C, 13C et 14C utilisé pour la datation. Ils int en collun le fait de posséder 6 protons et 6 électrons. Le carbone 12C est le plus courant.

Certains isotopes sont radio-actifs, d'autres sont stables.


Qu'avez-vous retenu?
(passez votre souris sur les parties grisées pour obtenir la bonne réponse. Ne pas cliquer.)