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QUELQUES ASPECTS DE LA MATIERE : ATOMES - MOLECULES - IONS - Leçon n° 1

 

Cette leçon comporte trois paragraphes.


1- LES CONSTITUANTS DE LA MATIERE


En classe de seconde nous avons vu que la matière était constituée de neutrons, de protons et d'électrons.

Particule

Charge

Masse

neutron

0

mn = 1,675 ´ 10 - 27 kg

proton

+ e

mp = 1,673 ´ 10 - 27 kg

électron

- e

me = 9,109 ´ 10 - 31 kg

La charge élémentaire, en coulomb, est e = 1,603 ´ 10 - 19 (C). Toute charge électrique est un multiple de cette charge élémentaire.

Nous allons maintenant revenir rapidement sur la constitution d'un atome, d'un ion simple et d'une molécule.


2- LES ATOMES

Un atome est constitué d'un noyau central et d'un nuage électronique. Le diamètre d'un noyau est de l'ordre de 10 - 15 m. Le diamètre d'un atome est de l'ordre de 10 - 10 m.


2-1 Le noyau central

Par exemple, l'atome de chlore le plus abondant dans la nature possède un noyau central contenant Z = 17 protons positifs et N = 18 neutrons. Le nombre de nucléons est donc A = Z + N = 17 + 18 = 35. On symbolise ce noyau par .

Z = 17 est également appelé le numéro atomique. C'est le numéro de la case du tableau périodique des éléments dans laquelle se trouve le chlore.


2-2
Le nuage électronique - Les couches électroniques

· Loin du noyau gravitent des électrons. Un atome étant électriquement neutre possédera autant d'électrons négatifs gravitant autour du noyau que de protons positifs dans le noyau. Leur mouvement, très complexe, ne peut pas être étudié en mécanique classique. Une mécanique plus récente, la mécanique quantique, parle de probabilité de présence des électrons dans un nuage électronique.

· En classe on se contente d'utiliser l'ancien modèle planétaire de Bohr (danois :1885 - 1962) qui répartit les électrons sur des couches K, L, M, etc.

Par exemple, l'atome de chlore possédant 17 protons positifs p + dans le noyau aura donc 17 électrons négatifs e - répartis, dans son état fondamental, sur trois couches (K)2, (L)8, (M)7, situées loin du noyau.

· Règle de répartition des électrons en couches :

La couche n (entier) contient au maximum 2 ´ n 2 électrons.

La couche n = 1 (K)

contient au maximum

2 ´ 1² = 2 électrons.

La couche n = 2 (L)

contient au maximum

2 ´ 2² = 8 électrons.

La couche n = 3 (M)

contient au maximum

2 ´ 3² = 18 électrons.

La couche . . .

contient au maximum

. . .

2-3 Quelques atomes

Le modèle de Lewis d'un atome ne représente que la couche externe du nuage électronique.

Remarque : Tous les atomes de même numéro atomique Z ont le même nom et le même symbole : ils appartiennent au même élément. On les appelle des isotopes (voir l'étymologie du mot). C'est le cas des atomes et .

Un élément est donc caractérisé par son symbole et son numéro atomique Z.


2-4 Classification périodique des éléments

· Voici un tableau simplifié se limitant aux trois premières lignes :

  

1H

2He

3Li

4Be

5B

6C

7N

8O

9F

10Ne

11Na

12Mg

13Al

14Si

15P

16S

17Cl

18Ar

- Un élément de la 3° ligne possède 3 couches d'électrons (K)2 (L)8 (M)...

- Un élément de la 7° colonne possède 7 électrons sur sa couche externe.

· Un atome possède au maximum 8 électrons sur sa dernière couche (couche périphérique).

 

3- LES MOLECULES ET LES IONS ( Règles de l'octet et du duet )


Les atomes de la dernière colonne de la classification périodique possèdent huit électrons (un octet) sur leur couche externe, à l'exception de l'atome d'hélium He qui possède deux électrons (un duet) sur sa couche K :

He : (K)2Ne : (K)2 (L)8 Ar : (K)2 (L)8 (M)8Kr : (K)2 (L)8 (M)18(N)8. . .

Ces gaz nobles sont stables.

Lors de transformations chimiques, les atomes évoluent pour acquérir la structure électronique du gaz noble le plus proche d'eux dans le tableau périodique. Ils acquièrent ainsi une plus grande stabilité. Ils obéissent soit à la règle du duet, soit à la règle de l'octet

 
3-1 Règle du duet - Règle de l’octet.

· Règle du duet : Les atomes proches de l'hélium évoluent pour acquérir deux électrons externes.

· Règle de l'octet : Les autres atomes évoluent pour acquérir huit électrons sur leur couche externe.

Ces évolutions aboutissent à des molécules ou à des ions.


3-2 Les molécules 

On utilise la représentation plane de Lewis ou celle "tridimensionnelle" de Cram.

a- Représentation plane de Lewis

Pour former une molécule, les atomes s'associent en formant des liaisons covalentes.

Une liaison covalente est formée par un doublet liant résultant de la mise en commun de deux électrons fournis par chacun des atomes liés.

Cette liaison est représentée par un trait entre les deux atomes liés.

Un doublet de la couche externe d'un atome qui ne sert pas à établir une liaison avec un atome voisin est un doublet non liant. Il est également représenté par un tiret proche de l'atome.

Le modèle de Lewis représente la molécule dans un plan. On y place tous les doublets liants et non liants.

Voici quelques exemples :

Ce modèle plan de Lewis indique quels sont les atomes qui sont liés dans la molécule, mais il ne donne aucune indication sur la répartition des atomes dans l'espace à trois dimensions.

Le modèle de Cram permet, lui, de modéliser la géométrie spatiale de la molécule.

b- Représentation "tridimensionnelle" de Cram

· Conventions : Les liaisons entre atomes sont modélisées de la façon suivante (représentation de Cram) :

Chaque trait représente un doublet liant (2 électrons fournis, l'un par l'atome C, l'autre par l'atome H).

· Les atomes C : (K)2 (L)4 H : (K)1 O : (K)2 (L)6 N : (K)2 (L)5 donnent naissance à de nombreuses molécules dans lesquelles l'atome H satisfait à la règle du duet alors que les atomes C, O et N satisfont à la règle de l'octet.

· Cette représentation de Cram, que doit précéder la représentation de Lewis, s'obtient en tenant compte du fait que les doublets liants ou non liants, formés de deux électrons négatifs, se repoussent électriquement et se placent de façon à être le plus éloignés possibles les uns des autres.

· La molécule d'eau représentée ci-dessous contient 2 doublets liants et 2 doublets non liants.

· La molécule d'ammoniac contient 3 doublets liants et 1 doublet non liant.

· Valence d'un atome

 L'atome d'hydrogène forme une liaison avec son voisin, il est dit monovalent.

L'atome d'oxygène forme deux liaisons avec son ou ses voisins, il est divalent.

L'atome d'azote, présent dans l'ammoniac, forme trois liaisons avec ses voisins, il est trivalent.

L'atome de carbone forme quatre liaisons avec ses voisins, il est dit tétravalent.

· L'atome de carbone est digonal (deux cotés) s'il est lié à deux voisins, trigonal (trois cotés) s'il est lié à trois voisins, tétragonal (quatre cotés) s'il est lié à quatre voisins. Mais l'atome de carbone est toujours tétravalent car il est entouré de quatre liaisons.

· Expérience : Si on plante deux aiguilles dans une orange de façon à ce que ces aiguilles soient le plus loin possible, elles formeront un angle de 180° (voir le modèle de CO2). Si on plante trois aiguilles dans une orange de façon à ce que ces aiguilles soient le plus loin possible, elles formeront un angle de 120° (voir le modèle de H2CO). Si on plante quatre aiguilles dans une orange de façon à ce que ces aiguilles soient le plus loin possible, elles formeront un angle voisin de 109° (voir les modèles de CH4, NH3, H2O).

· Remarque :

 - Une liaison multiple est assimilée à une liaison simple mais plus volumineuse et plus répulsive.

- De nombreux autres exemples sont donnés dans la suite du cours. Tous ces exemples satisfont à la règle de l'octet et du duet.

- Dans l'enseignement post baccalauréat on rencontrera des composés chimiques que ne satisfont pas à la règle de l'octet.

· Exercice : Représenter les modèles de Lewis des molécules d'éthane et de dichloroéthane.

Il existe le 1, 1-dichloroéthane et le 1, 2-dichloroéthane.


3-3
Les ions simples 

· L'atome de lithium Li : (K)2 (L)1 donne naissance à l'ion stable Li + : (K)2 à comparer à He : (K)2.

· L'atome d'hydrogène H : (K)1 donne rarement naissance à l'ion H - : (K)2 à comparer à He : (K)2.

· L'atome d'hydrogène H : (K)1 donne souvent naissance à l'ion H + : (K)0 (exception à la règle du duet).

· L'atome d'oxygène O : (K)2 (L)6 donne naissance à l'ion stable O - - : (K)2 (L)8 à comparer à Ne : (K)2 (L)8.


3-4
Les ions complexes

Nous citerons quelques ions complexes.

· L'ion oxonium (ou hydronium) H3O+ :

· L'ion hydroxyde HO - :

· L'ion ammonium NH4+:

 

A VOIR :

Connaissances du cours de Chimie 1

Problème résolu n° 1-A :

Problème n° 1-B (à résoudre) :

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