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Chimie

« Chimie » expliqué aux enfants par Vikidia, l’encyclopédie junior
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Une molécule de dioxyde de carbone (de formule CO2), qui est composée d'un atome de carbone et de deux d'oxygène.

La chimie est la science qui étudie les formes et les propriétés de la matière. La chimie étudie comment les particules microscopiques de la matière, les atomes, peuvent donner des édifices immenses par rapport a leur taille comme un corps humain, un arbre, une pierre, du métal...

En fait la chimie étudie principalement comment ces atomes se lient entre eux, pour donner des molécules, et pourquoi certaines liaisons sont possibles et d'autres pas. C'est la chimie qui étudie aussi les réactions entre les composés au cours d'une phase que l'on appelle la réaction chimique.

Aujourd'hui, la chimie est une science importante, comme d'autres, pour l'avenir. Il va en effet devenir nécessaire de réduire la consommation de pétrole et plusieurs voies existent, en utilisant d'autres sources d'énergies ou en trouvant d'autres matériaux.

La compréhension des phénomènes chimiques est relativement récente (XIXème siècle). Ceci vient du fait que les atomes qui constituent la matière ne sont pas visibles au microscope et encore moins à l'œil nu. Pour découvrir les phénomènes chimiques et les démontrer, il a fallu être capable de détecter ses propriétés électriques et magnétiques. Auparavant, les résultats n'étaient basés que sur l'expérimentation. On appelle ce type de résultat des résultats empiriques.

Définitions[modifier]

Elle répond à la question pourquoi certaines réactions chimiques sont possibles et d'autres pas. Par exemple, si on met de l'acide sur du cuivre, il ne se passe rien, alors que de l'acide mis sur d'autres métaux les ronge.

Les différents types de chimie[modifier]

  • La chimie minérale ou inorganique: l'étude des molécules non-constituées de squelettes de carbone;
  • La chimie organique: l'étude des molécules organiques, c'est-à-dire principalement composée de carbone;
  • La biochimie: l'étude de la chimie dans le corps humain;
  • La chimie des matériaux;
  • La chimie analytique: consiste à utiliser des méthodes et techniques pour analyser la matière;
  • La chimie physique: étude des phénomènes physique liés aux problèmes chimiques;
  • La chimie théorique: exclusivement théorique, elle s'étudie à l'aide d'outils physiques ou mathématiques.

Les états de la matière[modifier]

Voir État de la matière

Comment les atomes s'attachent les uns aux autres[modifier]

Un schéma d'une molécule d'aspirine (de formule C9H8O4 ) . Elle est composée de 9 atomes de carbone (en noir) , 8 d'hydrogène (en blanc) et de 4 d'oxygène (en rouge) .

Sur Terre, il existe naturellement 92 sortes d'atomes. Si les atomes ne s'accrochaient pas entre eux, il n'y aurait que 92 sortes de gaz et rien d'autre, et nous n'existerions pas. Heureusement, les atomes s'accrochent les uns aux autres, et il existe des solides et des liquides en plus des gaz, ainsi que beaucoup plus que 92 sortes de gaz. Les atomes s'accrochent les uns aux autres grâce aux électrons.

Les gaz rares[modifier]

Certains atomes ont le nombre d'électrons qu'il faut. Ils n'en ont ni trop, ni pas assez. On les appelle gaz rares ou gaz inertes. Comme ils n'échangent pas leurs électrons, ils ne s'accrochent à rien et restent sous la forme d'atome isolé. Ces gaz inertes sont les atomes de la colonne VIII A du tableau périodique des éléments, c'est-à-dire l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon et le radon. Il est très difficile de les transformer en liquide ou en solide.

Les métaux[modifier]

Certains atomes ont un deux ou trois électrons de trop. Quand ils sont entre eux, ils s'empilent avec des formes régulières (ils sont bien en rang) et les électrons en trop se promènent entre les rangs. On dit qu'il y a des électrons libres. C'est pourquoi le courant électrique peut facilement les traverser.

Les non-métaux[modifier]

À l'inverse, il existe des atomes auxquels il manque quelques électrons. Quand ils sont entre eux, ils mettent, avec un ou deux voisins (jusqu'à 4 au maximum), des électrons en commun. Ils restent alors bien côte à côte pour se les partager. On dit qu'ils sont liés par une liaison covalente.

Les ions[modifier]

Normalement, un atome a autant de charges positives que de charges négatives. Quand un atome perd ou gagne des électrons, il devient un ion. S'il a perdu des électrons, il s'appelle un anion ; au contraire, s'il en a plus que normalement, on l'appelle un cation.

En physique, on constate que des morceaux de matières qui sont chargés et dont les charges sont de signes différents s'attirent par des forces électriques (force de Coulomb) que l'on sait d'ailleurs calculer.

Les réactions chimiques[modifier]

Les deux molécules ont réagit entre elles et ont changés leur arrangement.

Quand des groupements d'atomes changent d'arrangement, on dit qu'il y a une réaction chimique.

Les phénomènes principaux en chimie (cas simples)[modifier]

Les transformations chimiques impliquent toutes des transferts de charges électriquesPrécision, le plus souvent sous forme d'éléctrons (charge négative) entre deux molécules. Plusieurs cas sont possibles :

  • Liaison électrique entre des atomes ou des molécules : la réaction chimique a provoqué le partage d'électrons entre deux molécules, et les électrons forment un pont entre-elles. La liaison durera tant que les électrons passeront d'une molécule à l'autre : c'est une liaison covalente. Toutes les molécules complexes qui composent le monde sont faites d'atomes reliés entre eux par des liaisons de covalence.
  • Transfert d'électrons entre des molécules qui ne sont pas liées entre-elles par une liaison covalente : La réaction chimique a provoqué un transfert de charge, et non un partage. C'est le cas dans une réaction dite oxydo-réduction : une molécule a perdu un électron (c'est le réducteur qui est oxydé), et l'autre en a gagné un (c'est l'oxydant qui a été réduit). C'est ce phénomène qui est utilisé pour fabriquer des piles électriques.
  • Transfert de proton (charge positive) entre deux molécules qui ne sont pas liées entre-elles par une liaison covalente : la réaction chimique a provoqué le transfert d'une charge positive (le proton, au noyau de l'hydrogène) entre deux molécules. C'est le cas lors d'une réaction acido-basique : la molécule acide a perdu un proton et l'a donné à la molécule basique.

Pourquoi les réactions chimiques se produisent-elles ?[modifier]

Il existe une science, la thermodynamique, qui étudie pourquoi les évènements naturels se produisent. C'est très complexe, mais globalement, une réaction chimique se produit spontanément (toute seule) quand au moins une des deux conditions suivantes est réunie :

  • la réaction libère de l'énergie.
  • la réaction crée du désordre.

La première notion est simple à percevoir : la plupart des réactions chimiques produisent de la chaleur, comme la combustion1 d'une allumette. Certaines sont même explosives tant la chaleur dégagée est grande : c'est ce qui permet aux voitures d'avancer, grâce à l'oxydation de l'essence par l'oxygène.

La seconde notion est plus complexe. La notion de désordre est subtile. Mais le plus simple pour comprendre est de considérer l'expérience suivante.

Expérience[modifier]

—ATTENTION : expérience à faire avec un adulte ! --

Si vous disposez d'alcool à 70° et d'eau dans deux verres lisses et transparents (un demi-verre de chaque suffit), ainsi que d'un thermomètre, vous pouvez faire cette expérience :

  • Soyez sûrs que l'eau et l'alcool soient à la même température, en utilisant le thermomètre.
  • Ajoutez une goutte d'alcool dans le verre d'eau. Vous verrez la petite goutte jaune se déformer puis se disperser, disparaître, diluée dans l'eau.
  • Ajoutez rapidement le reste d'alcool dans l'eau sans mélanger ; vous observerez que pendant quelques instants, le contenu du verre s'est troublé : c'est la marque que le mélange entre l'eau et l'alcool est en train de se faire.
  • Après quelques secondes, relevez la température du mélange. Le mélange est à une température plus élevée que les deux liquides de départ.

NB : l'alcool s'évaporant très vite, il va refroidir, et la température baissera ensuite.

Cette expérience simple met en évidence que l'alcool qui s'est dilué dans l'eau a provoqué une élévation de la température du mélange. Cette élévation de température est la preuve que la dilution a libéré de l'énergie.

En pratique, toute dilution est spontanée, même celle qui ne dégage pas de chaleur, car elle augmente le désordre du mélange. Il est difficile de « dé-mélanger » une solution. Par exemple, la dilution du sel de cuisine dans de l'eau ne change pas la température du mélange et est pourtant spontanée. D'autres dilutions, comme la dilution de sels d'ammonium (souvent utilisés comme engrais) dans de l'eau refroidissent la solution.

Un autre exemple de l'augmentation du désordre est lorsqu'un liquide s'évapore et devient un gaz. Les gaz sont beaucoup plus désordonnés que les liquides et le changement de phase entre le liquide et le gaz demande de l'énergie mais reste spontané. Ainsi, lorsque l'alcool s'évapore dans l'expérience précédente, la solution refroidit. Le même phénomène est observable lorsque l'on sort d'un bain, on a froid car les gouttes d'eau sur notre peau s'évaporent.

Ces deux notions (libération de l'énergie, augmentation du désordre) sont des principes, c'est-à-dire des affirmations qu'on ne peut pas démontrer, mais donc les conséquences sont vérifiées par l'expérience. On les appelle les deux principes de la thermodynamique.

Notes[modifier]

  1. Attention! Le feu ne sert qu'à déclencher la combustion, la réaction chimique elle se déroule au niveau de l'allumette.
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