La matière est omniprésente à toutes les échelles et dans toutes les structures de l'Univers,
des galaxies au grain
de sel. Elle est composée d'entités microscopiques qui appartiennent à des éléments chimiques
universels. Parmi ces éléments figurent l'hydrogène et l'hélium, les deux plus abondants de
l'Univers, mais aussi l'oxygène, le carbone, le fer, le silicium et des métaux rares, qu'on
retrouve dans la composition de certaines planètes ou dans le monde du vivant.
Les entités chimiques sont classées en différentes catégories comme les atomes, les ions ou
encore les molécules. Un atome est lui-même décomposable : les expériences du XXe
siècle ont mis en évidence un minuscule noyau central composé à son tour de protons et de
neutrons, tandis que l'atome est occupé en sa périphérie par un cortège d'électrons.
Plongeon vers le domaine microscopique
Images de cristaux de sel et d'atomes d'or obtenues par microscopie électronique
La matière est partout autour de nous : l'eau qu'on verse dans un verre,
le sel qu'on ajoute dans un plat, l'air qu'on respire, la chaise sur laquelle on s'assied,... Mais en
zoomant, et en zoomant encore, que trouve-t-on ?
Dès l'Antiquité, les savants font l'hypothèse que la matière est composée de minuscules grains. Il faut
pourtant attendre le XXe siècle pour que les expériences viennent confirmer cette piste. De nos
jours, les instruments d'optique sont assez puissants pour observer individuellement les composants de la
matière, on les appelle les entités chimiques.
C'est parti pour le plongeon ! Prenons un peu de neige et zoomons :
Photos de quelques flocons de neige
La neige est composée de flocons. Zoomons encore : chaque flocon est composé de molécules d'eau.
En zoomant davantage, on observe que chacune d'entre elles est composée de trois atomes. Dans chaque molécule d'eau,
on remarque un atome central plus gros que les deux autres : les trois atomes n'appartiennent pas au même
élément chimique. Un des trois atomes est un atome d'oxygène, de symbole O ; les deux autres sont des atomes
d'hydrogène, de symbole H. Ainsi, l'eau a pour formule brute H2O, cela indique la composition de
chaque molécule d'eau.
Illustration de la composition de l'eau par zooms successifs
En zoomant toujours plus, on distinguerait que chaque atome est entouré d'un nuage d'électrons
et qu'il contient en son centre un noyau, lui-même composé de particules encore plus petites,
des nucléons de deux sortes : des protons et des neutrons.
Composition des atomes et de leurs noyaux
Il est possible de trier tous les atomes de l'Univers selon l'élément chimique
auquel ils appartiennent. Les plus petits atomes ne possèdent dans leur noyau qu'un seul proton, on les
appelle les atomes d'hydrogène. Un proton, c'est une particule du noyau qui possède une charge électrique
positive et tous les protons ont la même charge, on la nomme la charge élémentaire. Dans le noyau, il peut
aussi se trouver d'autres particules, les neutrons qui ne portent aucune charge électrique.
Tous les atomes dont le noyau a deux protons font partie de l'élément "hélium".
Tous les atomes dont le noyau a trois protons font partie de l'élément "lithium", etc.
Pour caractériser un noyau, il faut alors indiquer le nombre de protons et de neutrons qu'il compte. Pour
cela, on emploie la notation AZX :
A désigne le nombre de masse du noyau : c'est le nombre total de particules à l'intérieur.
Z désigne le numéro atomique du noyau : c'est le nombre de protons dans le noyau.
X est remplacé par le symbole chimique de l'élément chimique correspondant : H, He, Li, ...
Et pour décrire un atome ? Un atome, c'est une entité chimique électriquement neutre composé d'un noyau
et d'électrons. Or les charges électriques des protons et des électrons sont opposées. Pour obtenir un atome
neutre, il faut entourer le noyau avec autant d'électrons qu'on compte de protons dans le noyau. Et voilà !
Ex : 32He est un noyau d'hélium composé de 2 protons et 1 neutron. 199F est composé de 9 protons et de 10 neutrons. Un atome de fluor compte, en plus,
9 électrons.
Représentation artistique d'un atome
Dans une représentation symbolique des atomes comme ci-contre, les ronds bleus représentent
les électrons, les ronds rouges représentent les protons et les ronds noirs représentent
les neutrons. Tous les ronds noirs et rouges qui composent le noyau forment à eux tous
l'ensemble des nucléons de cet atome.
Vidéo décrivant la composition d'un atome
Et le cristal de sel ? Qu'y trouve-t-on ?
Le sel de cuisine, ou chlorure de sodium, est composé d'ions. Un ion c'est quoi ?
Un ion est une entité chimique obtenue lorsqu'un atome a perdu ou a gagné un ou plusieurs électrons dans
son nuage électronique. Un ion n'est pas électriquement neutre, il porte une charge électrique qui peut
être positive (c'est alors un cation) ou négative (c'est alors un anion).
Les ions chlorure ont pour formule Cl- : le signe moins indique que leur charge électrique
est négative : un ion chlorure se forme lorsqu'un atome de chlore gagne un électron, ce qui lui apporte
une charge négative supplémentaire.
Échange d'un électron entre le sodium et le fluor, formation des ions Na+ et F-.
Les ions sodium ont pour formule Na+ : le signe plus indique que leur charge électrique
est positive : un ion sodium se forme lorsqu'un atome de sodium perd un électron, ce qui lui retire
une charge négative et fait apparaître un excès de charges positives.
Comme la matière est électriquement neutre, le chlorure de sodium est composé d'ions chlorure et d'ions
sodium en même quantité, la formule du sel est donc NaCl.
D'autres cristaux ioniques existent, comme par exemple le chlorure de magnésium, composé d'anions
chlorure Cl- et de cations magnésium Mg2+. La formule du chlorure de magnésium est
donc MgCl2.
Dénombrer les entités chimiques
Comment déterminer le nombre de perles dans ce bocal ?
Un atome c'est tout petit, un dixième de milliardième de mètre,
c'est-à-dire 10-10 m. Leurs noyaux sont cent mille fois plus petits, soit
10-15 m. Il est impossible de dénombrer les entités chimiques une par une.
Des techniques expérimentales permettent de connaître avec précision la masse d'un atome ; connaître
le nombre d'atomes dans un échantillon est alors bien plus facile : il suffit de comparer
la masse de l'échantillon à la masse de chaque atome ! De la même manière, pour connaître le nombre
de grains de riz dans un paquet, il suffit de peser un seul grain et de comparer avec la masse
du paquet.
Évidemment, les nombres obtenus sont énormes et peu pratiques à utiliser au quotidien. En chimie,
on aura alors tendance à compter les entités par paquet, de la même manière qu'on achète des
feuilles blanches par ramette ou des oeufs par douzaine. En chimie, un paquet est baptisé "une mole"
et une mole rassemble 6,02×1023 entités. La quantité de matière
d'un échantillon indique alors le nombre de moles présentes dans l'échantillon.
