Chimie
« Chimie » expliqué aux enfants, par Vikidia, l’encyclopédie junior.
La chimie est la science qui étudie les formes et les propriétés des matières : elle étudie comment se forment les molécules et comment elles s'assemblent pour en créer de nouvelles au cours de réactions chimiques.
Sommaire |
[modifier] Définitions
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.
La chimie étudie les phénomènes qui se passent au niveau de la dernière couche d'électrons qui gravitent au sein d'un atome, contrairement à la physique nucléaire qui étudie ce qui se passe dans son noyau. En général, il s'agit du « vol » ou du partage plus ou moins « asymétrique » de 1, 2 ou 3 électrons.
[modifier] Les états de la matière
- Voir État de la matière
[modifier] Comment les atomes s'attachent les uns aux autres
Sur Terre, il existe naturellement 90 sortes d'atomes. Si les atomes ne s'accrochaient pas entre eux, il n'y aurait que 90 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 90 sortes de gaz. Les atomes s'accrochent les uns aux autres grâce aux électrons.
[modifier] Les gaz rares
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 très difficile de les transformer en liquide ou en solide.
[modifier] Les métaux
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.
[modifier] Les non-métaux
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.
[modifier] Les ions
Quand un métal rencontre un atome qui n'a pas assez d'électrons, un non-métal donc (comme l'oxygène), il est très content de les donner et l'autre est très content de les prendre. On dit que le métal s'oxyde. Mais alors, il manque un ou plusieurs électrons au métal et, en même temps, le non-métal qui lui en a pris en a quelques-uns en trop. Les deux sont alors chargés, ce qui veut dire qu'ils n'ont plus le même nombre de charges positives que de charges négatives.
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 atomes ont échangé leurs électrons sont donc chargés et ils subissent l'effet de cette force de Coulomb. Ils restent attirés l'un par l'autre. On appelle cette liaison une liaison ionique
[modifier] Les réactions chimiques
Quand des groupement d'atomes changent d'arrangement, on dit qu'il y a une réaction chimique.
[modifier] Les phénomènes principaux en chimie (cas simples)
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Les transformations chimiques impliquent toutes des transferts de charges électriques, 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 eléctron (c'est le réducteur, qui est oxydé), et l'autre en a gagné (c'est l'oxydant qui a été réduit). C'est ce phénomène qui est utilisé pour fabriquer des piles électriques.
- transfert de proton 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.
[modifier] Pourquoi les réactions chimiques se produisent-elles ?
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 combustion 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.
[modifier] Expérience
--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.
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