Chimie

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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).

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 à leur taille comme un corps humain, un arbre, une pierre, du métal, du plastique, etc.

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 (XIXe 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 | modifier le wikicode]

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 | modifier le wikicode]

  • La chimie minérale ou inorganique: l'étude des molécules non-constituées d'atomes de carbone;
  • La chimie organique: l'étude des molécules organiques, composées d'atomes de carbone auquel sont rattachés d'autres atomes;
  • 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 | modifier le wikicode]

Sur terre, la matière peut changer d'état : selon température et pression, elle peut être solide, liquide ou gazeuse.

Voir État de la matière

Propriété des atomes en fonction de leur nombre d'électrons[modifier | modifier le wikicode]

Les différentes sorte d'atomes qui existent se distinguent par le nombre de protons présents dans le noyau atomique. L'atome le plus simple est celui d'hydrogène avec un seul proton et celui qui a le plus de protons (92) parmi les atomes qu'on peut trouver à l'état naturel est l'uranium.

Toutefois, la chimie concerne les électrons qui tournent autour du noyau de l'atome. En l'absence de charge électrique d'un bloc de matière, il y a autant d'électrons autour du noyau que de protons dans le noyau.

Cependant, les électrons ne tournent pas autour du noyau n'importe comment. Ils sont organisés en couches et en sous-couches et chaque couche ou sous-couche peut contenir un nombre bien précis d'électrons.

  1. couche 1 : 2 électrons
  2. couche 2 : 8 électrons
  3. couche 3 : 8 électrons
  4. couche 4 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 10 électrons
  5. couche 5 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 10 électrons
  6. couche 6 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 14 puis une autre sous-couche de 10
  7. couche 7 : couche principale de 8 électrons + une sous-couche de 14 puis une autre sous-couche de 10

Si on classe les atomes par nombre croissant du numéro atomique, c'est à dire du nombre de protons dans le noyau (et donc aussi du nombre d'électrons), une nouvelle principale couche d'électrons ne commence à se remplir qu'une fois que la couche principale précédente est complète.

Par contre, les sous-couches commencent à se remplir une fois que la couche principale en cours de remplissage a déjà 2 électrons. Une fois la ou les 2 sous-couches pleines, la couche principale finit de se remplir avec les 6 électrons qui manquaients.

Toute la chimie provient du fait que des atomes mettent en commun avec d'autres atomes un ou plusieurs électrons de leur dernière couche afin d'arriver à ce que cette dernière couche (ou une sous-couche) soit complète. En conséquence, les propriétés chimiques d'un atome dépendent en premier lieu du nombre d'électrons de sa dernière couche.

Les atomes sont classés en catégories selon le nombre d'électrons de la dernière couche.

Les gaz rares[modifier | modifier le wikicode]

Ce sont des atomes qui ont exactement le nombre d'électrons nécessaire pour que leur dernière couche d'électrons soit complète. On les appelle gaz rares, gaz nobles ou gaz inertes. Comme ils n'ont pas besoin d'échanger leurs électrons, ils restent sous la forme d'atome isolé. Ce sont les atomes de la colonne la plus à droite du tableau périodique des éléments, c'est-à-dire l'hélium, le néon, l'argon, le krypton, le xénon, le radon et l'organesson. Il faut les refroidir beaucoup pour les transformer en liquides ou en solides.

Les halogènes[modifier | modifier le wikicode]

Dans le tableau périodique des éléments, ils sont placés juste avant un gaz rare. On y trouve le fluor, le chlore, le brome, l'iode, l'astate et le tennesse. Il leur manque un électron pour que leur dernière couche soit complète. Ces atomes tentent de disposer de l'électron manquant de deux manières.

Une première possibilité est que 2 atomes mettent en commun chacun un de leurs électrons. Ça peut être 2 atomes du même halogène qui se regroupent pour former une molécule composée de deux atomes identiques. Le fluor, le chlore, le brome et l'iode existent comme ça à l'état naturel. À température ambiante, le fluor et le chlore sont gazeux, le brome est liquide et l'iode est solide.

Mais des molécules peuvent se former entre 2 atomes d'halogènes différents. Il existe aussi des molécules qui regroupent en tout 4, 6 ou 8 atomes d'halogènes lorsque le diamètre respectif des 2 types d'atomes le permet. C'est le cas entre le fluor et les autres halogènes et entre le chlore et l'iode. Des molécules d'au moins 3 atomes peuvent aussi se former entre des atomes d'halogène et d'autres atomes qui n'en sont pas parmi ceux qui sont dans les colonnes de droite du tableau périodique des éléments.

L'hydrogène n'est pas classé comme halogène. Malgré tout, 2 atomes d'hydrogène peuvent se regrouper ensemble pour former une molécule. Un atome d'hydrogène peut aussi s'associer avec un atome d'halogène. La molécule obtenue est un acide. Par contre, si l'acide obtenu est mélangé à de l'eau, les atomes de cette molécule se séparent. L'atome d'halogène récupère l'électron qui manquait à sa couche externe pour qu'elle soit complète. Il a alors un électron de plus qu'il a de protons dans son noyau. Cela fait un atome avec une charge électrique négative. De son coté, l'atome d'hydrogène qui a perdu son électron s'associe avec une molécule d'eau pour former une molécule avec un atome d'oxygène, 3 d'hydrogène et un électron en moins que de protons. Cette molécule a une charge électrique positive.

Les atomes et les molécules avec une charge électrique sont appelés des ions. Et plus précisément ceux qui ont une charge électrique positive sont des anions et ceux qui ont une charge électrique négative des cations.

Une autre possibilité est qu'un atome d'halogène récupère un électron d'un atome situé du coté gauche dans la table périodique des éléments. C'est ce qu'on va voir maintenant.

Les métaux alcalins[modifier | modifier le wikicode]

Les métaux alcalins sont des atomes qui sont classés dans la colonne la plus à gauche du tableau périodique des éléments. On y trouve le lithium, le sodium, le potassium, le rubidium, le césium et le francium. Ils ont un électron de plus que le gaz rare qui les précède et qui est tout à fait à droite dans la ligne du dessus du tableau périodique. Cet électron en plus est donc le seul de la dernière couche.

Ce sont des métaux mous qui sont faciles à couper en morceaux et qui fondent à des températures peu élevées (de 26,85 °C pour le frankium à 180,54 °C pour le lithium). Ils cherchent à tout prix à mettre en commun leur dernier électron avec un autre atome. Ils sont donc chimiquement très réactifs. Au contact avec l'air, ils s'oxydent rapidement et si on veut conserver leur aspect de métal brillant, il faut les mettre à l'abri de l'air dans un liquide qui n'agira pas sur eux comme l'huile de paraffine.

La réaction chimique d'un métal alcalin avec de l'eau est une réaction très intense. Au contact avec l'eau, le sodium s'enflamme spontanément et de l'eau sur un métal alcalin peut provoquer une explosion.

Un métal alcalin en contact avec de l'eau perd son dernier électron pour devenir un ion chargé positivement. Cet électron est récupéré par une molécule d'eau qui se sépare en deux :

  • d'un coté un ion constitué d'un atome d'hydrogène et un atome d'oxygène. avec l'électron récupéré, c'est un ion chargé négativement,
  • de l'autre un atome d'hydrogène isolé qui se combinera avec un autre atome d'hydrogène isolé pour former une molécule composée de 2 atomes d'hydrogène.

Le résultat de cette réaction chimique est une base.

Les métaux alcalins peuvent aussi fournir un électron à un atome d'halogène. L'atome du métal alcalin devient un anion tandis que l'halogène devient un cation et l'ensemble des deux forme un sel. En particulier, le chlorure de sodium qui n'est autre que le sel que l'un trouve dans l'eau de mer est constitué d'ions de sodium et de chlore.

Les métaux alcalino-terreux[modifier | modifier le wikicode]

Les métaux alcalino-terreux arrivent en deuxième colonne du tableau périodique des éléments. On y trouve le béryllium, le magnésium, le calcium, le strontium, le baryum et le radium. Ils ont deux électrons sur leur dernière couche.

Eux aussi peuvent former des ions en perdant ces deux électrons, mais aussi former des molécules avec l'oxygène. dans ce cas, le métal est oxydé.

Les réactions chimiques avec des métaux alcalino-terreux sont moins violentes qu'avec des métaux alcalins.

Les métaux de transition[modifier | modifier le wikicode]

Les métaux les plus connus font partie des métaux de transition. Leurs atomes ont la dernière couche principale avec deux électrons comme les métaux alcalino-terreux, mais ils ont aussi une sous-couche partiellement remplie (1 à 9 électrons pour un nombre maximum de 10).

Ce sont des métaux durs qu'on peut utiliser pour faire des objets solides. À part l'argent qui fond à 962 °C, tous les autres métaux de transition fondent à plus de 1 000 °C, le record est atteint par la Tungstène qui ne fond qu'à 3 422 °C. Pour cette raison, ce métal était employées pour les filaments des lampes à incandescences.

Les lanthanides[modifier | modifier le wikicode]

À partir de la 6e couche principale d'électrons, c'est à dire pour les atomes dont le numéro atomique dépasse 54, une sous-couche de 14 électrons se remplit avant la sous-couche de 10 électrons des métaux de transitions.

Après le baryum qui est un métal alcalino-terreux, on trouve le lanthane de numéro atomique 57 suivi de 14 autres atomes, le dernier étant le lutécium de numéro atomique 71. Ils ont des propriétés chimiques similaires. En particulier, leur réactivité avec les atomes situés du coté droit du tableau périodique, notamment avec les halogènes est intermédiaire entre celle des métaux alcalino-terreux et celles des métaux de transition.

Les actinides[modifier | modifier le wikicode]

De la même manière après le radium qui est le métal alcalino-terreux dont la 7e couche principale comporte 2 électrons, il y a l'actinium de numéro atomique 89 jusqu'au lawrencium de numéro atomique 103 qui ont des propriétés chimiques voisines.

Cependant, comme tous les atomes au delà du numéro atomique 83 sont radioactifs, ils sont rares. Seuls le thorium (N° 90) et l'uranium (N° 92) peuvent être trouvés à l'état naturel et à partir du numéro atomique 95 (américium) la seule matière d'obtenir un atome est de le synthétiser à partir de collisions d'autres noyaux d'atomes. De ce fait, les propriétés chimiques des actinides (tout comme des atomes qui suivent à partir du numéro atomique 104) sont très peu connues.

Métaux pauvres, métalloïdes et non-métaux [modifier | modifier le wikicode]

Jusqu'à présent, on a parlé des propriétés des atomes en fonction de leur position en colonnes dans le tableau périodique des éléments. Mais du coté droit de ce tableau, la répartition entre métaux pauvres, métalloïdes et non-métaux se fait en diagonale. Selon la ligne du tableau périodique, le nombre d'éléments dans chacune des ces 3 catégories n'est pas le même.

Ligne Métaux pauvres Métalloïdes Non-métaux Halogène Gaz rare
2 0 1 3 1 1
3 1 1 2 1 1
4 2 2 1 1 1
5 5 1 1

Pour la ligne 5, l'astate qui est dans la colonne des halogènes est aussi classé comme métalloïde.

Les métaux pauvres sont pour certains des métaux mous faciles à déformer comme le plomb ou l'étain, ou alors des métaux plus durs mais facilement cassants comme l'aluminium. Le zinc fait aussi partie des métaux pauvres les plus connus.

Ils fondent à des températures plus basses que les métaux de transition. Le record est détenu par le mercure qui est déjà liquide à −38 °C. C'est le seul métal qui est liquide à température ambiante mais le gallium fond entre 29 et 30 °C. À l'opposé, c'est l'aluminium qui reste solide le plus longtemps, jusqu'à 660 °C.

Viennent ensuite les métalloïdes : le bore, le silicium, le germanium, l'arsenic, l'antimoine, le tellure (et l'astate comme précisé plus haut). Leurs propriétés chimiques sont intermédiaires entre celles des métaux et des non-métaux.

Enfin, à droite du tableau, chaque ligne se termine par des non-métaux. Parmi eux, on trouve le carbone, l'azote, l'oxygène, le phosphore, le soufre, et le sélénium ainsi que les halogènes déjà cités.

Métaux et non-métaux[modifier | modifier le wikicode]

Les métaux[modifier | modifier le wikicode]

Les atomes de ces métaux (mais c'est valable s'empilent avec des formes régulières et les électrons des couches externes peuvent passer d'un atome à l'autre. On dit qu'il y a des électrons libres. C'est pourquoi le courant électrique peut facilement le traverser les métaux.

La plupart des atomes répertoriés dans le tableau périodique des éléments sont des atomes d'un métal. 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 | modifier le wikicode]

Une molécule de dioxyde de carbone (de formule CO2), qui est composée d'un atome de carbone et de deux d'oxygène.

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 | modifier le wikicode]

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 cation (il est chargé positivement) ; au contraire, s'il a gagné, on l'appelle un anion (il est chargé négativement).

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 | modifier le wikicode]

Des groupements d'atomes peuvent, dans certaines conditions, changer d'arrangement.

Voir réaction chimique


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Article mis en lumière la semaine du 30 décembre 2019.
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