Cours 1: Les atomes et les molécules

IntroductionLa matière existe sous toutes formes pierre métal bois verre vous moi … .La matière de l'Univers, qu'elle soit vivante ou inerte, est modelée par des molécules, qui sont à leur tour composées d'atomes.

1 - Eléments et composés de la matière

Un élément est une substance impossible à décomposer en d’autres éléments plus simples au cours des réactions chimiques. De nos jours les chimistes connaissent 92 éléments naturels dont l’or le plomb, le carbone, l’oxygène…On assigne à chaque élément un symbole le plus souvent constitué d’une ou des deux premières lettres de son nom fer Fe hydrogène H

Deux ou plusieurs éléments peuvent se combiner pour former un composé. Le sel de table est un composé formé de deux éléments le sodium Na et le chlore Cl

Le chlore est un gaz toxique et le sodium un métal. Mis ensembles le sel de table devient un nouveau composé qui de possède pas les caractéristiques des éléments pris individuellement.

Quelques éléments indispensables à la vie

Environ 25 des 92 éléments naturels sont essentiels à la vie les éléments CHON représentent à eux seuls 96% de la composition de la matière vivante.

2 - L’atome et les particules élémentaires a) La découverte de l’atome

Voir diaporama

les particules élémentairesla masse atomique

b) Le Numéro et la masse atomique moyenne

Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même nombre de protons dans leur noyau. Ce nombre particulier à cet élément s’appelle le numéro atomique et il s’écrit au moyen d’un indice à la gauche du symbole de l’élément.

L’abréviation 2He par exemple indique que chaque atome de l’élément hélium a deux protons dans son noyau.

A moins d’indications contraires, un atome est électriquement neutre. C'est-à-dire que ses protons sont contrebalancés par un nombre égal d’électrons.

En conséquence, le numéro atomique nous indique le nombre de protons et le nombre d’électrons dans un atome neutre.

Cela nous permet de déduire le nombre de neutrons à partir de la masse atomique moyenne c'est-à-dire de la somme des protons et des neutrons contenus dans le noyau de chaque isotope d’un élément.

Les isotopes représentent les différentes formes atomiques d’un élément. On précisera cette notion plus tard.

La masse atomique moyenne s’écrit au moyen d’un exposant appelé nombre de masse à la gauche du symbole de l’élément.

Par exemple nous pouvons utiliser l’abréviation 42He pour désigner un atome d’hélium. Comme le numéro atomique indique le nombre de protons, nous pouvons déterminer le nombre de neutrons en soustrayant le numéro atomique du nombre de masse : un atome d’hélium 42He possède donc deux neutrons. Un atome de sodium 2311Na possède 11 protons, 11 électrons et 12 neutrons. L’atome d’Hydrogène 11H ne possède aucun neutron. Il contient 1 proton autour duquel gravite un électron.

La masse atomique moyenne s’exprime en unités de masse représentes par le symbole µ. La masse molaire atomique nous indique à quelque chose près la masse de l’atome entier. Ainsi la masse molaire de l’hélium 42He est de 4µ (4,003 exactement)

C - les isotopes

Tous les atomes d’un élément donné possèdent le même nombre de protons mais certains atomes du même élément ont plus de neutrons que d’autres, et par conséquent pèsent plus lourd. Ces formes atomiques différentes représentent des isotopes de l’élément. Dans la nature un élément se présente sous la forme d’un mélange de ses isotopes.

Par exemple considérons les trois isotopes du carbone dont le numéro atomique est 6. L’isotope le plus courant est le Carbone 12 qui constitue 99% du carbone naturel, il possède 6 neutrons.

La majeure partie du 1% restant consiste en atomes de l’isotope 136C avec ses 7 neutrons. Le troisième isotope 14

6C possède huit neutrons. Il existe dans l’environnement en très petite quantités.

Le 13C et le 12C sont des isotopes stables ce qui signifie que leur noyau n’a pas tendance à perdre de particules. Par contre le 14C est un radio-isotope (instable) son noyau se désintègre spontanément et émet des particules et de l’énergie. La perte de particules transforme l’atome en un atome d’un autre élément par exemple le 14C se désintègre en azote N2

Les radio-isotopes ont de nombreuses applications pratiques en biologie et en géologie. Ils peuvent servir de traceur pour suivre le cheminement des atomes dans le métabolisme.

d) - les niveaux énergétiques

Dans le modèle suivant, la grosseur du noyau se trouve disproportionné au volume de l’atome complet. Si le noyau avait la grosseur d’une balle de golf, les électrons se déplaceraient autour à une distance moyenne de 1km. Les atomes se composent en grande partie de vide !!

Lorsque deux atomes se rapprochent l’un de l’autre leurs noyaux restent trop éloignés pour interagir seuls les électrons participent aux réactions chimiques entre les atomes. Chaque électron possède sa propre quantité d’énergie. Cette énergie capable de fournir un travail s’appelle énergie potentielle.

Par exemple l’eau contenue dans un réservoir en hauteur possède de l’énergie potentielle en raison cette hauteur. Une fois les vannes ouvertes l’énergie peut être libérée. Une fois au pied de la colline l’eau contient moins d’énergie. La matière a ainsi tendance à se débarrasser naturellement de son énergie potentielle. Les électrons d’un atome possèdent eux aussi leur énergie potentielle qui explique la possibilité de réagir des atomes et des molécules ainsi que leur capacité à libérer de l’énergie.

Les différents états d’énergie potentielle des électrons s’appellent niveaux énergétiques ou couches électroniques

La première couche est la plus près du noyau et ses électrons possèdent la plus faible énergie. Les électrons de la deuxième couche ont plus d’énergie et ainsi de suite.

Un électron peut passer d’une couche à l’autre en perdant ou en gagnant de l’énergie égale Par exemple la lumière peut exciter un électron et lui donner de l’énergie pour passer à un niveau d’énergie supérieur (première étape de la photosynthèse) durant laquelle les végétaux captent l’énergie lumineuse. Pour occuper une place plus près du noyau l’électron en général perd de l’énergie sous forme de chaleur.

e) Orbitales électroniques

On ne peut connaître la trajectoire d’un électron mais on appelle orbitale l’espace ou l’électron passe plus de 90% de son temps. Une même orbitale ne peut recevoir plus de 2 électrons. La première couche possède 1 orbitale et peut donc loger un maximum de deux électrons. Dans un atome possédant plus de deux électrons, la première couche est complète de sorte que les couches les plus élevées puissent être utilisées.

f) Configuration électronique et propriétés chimiques

Le comportement chimique d’un atome dépend de sa configuration électronique, c’est à dire de la répartition des électrons dans ses couches électroniques.

Par exemple avec L’hydrogène, l’atome le plus simple nous pouvons élaborer les atomes des autres éléments en ajoutant un proton et un électron a la fois. Les propriétés chimiques d’un atome dépendent principalement du nombre d’électrons qu’il possède dans sa couche périphérique. La couche électronique périphérique correspond au dernier niveau énergétique ; les électrons situés sur cette couche sont les électrons de valence.

Un atome comportant un dernier niveau énergétique complet ne réagira pas spontanément en présence d’autres atomes.Dans la toute dernière colonne de notre tableau périodique abrégé se trouvent l’hélium, le néon et l’argon ; il s’agit des seuls éléments affichant leur dernier niveau énergétique complet. On qualifie ces éléments d’inertes en raison de leur stabilité chimique. Tous les autres atomes présentent un dernier niveau énergétique incomplet et donc ont la capacité d’interagir chimiquement.

2 - Les liaisons chimiques et les moléculesAprès avoir examiné la structure des atomes, nous allons monter un peu plus haut dans la hiérarchie de l’organisation des êtres vivants et nous verrons de quelle façon les atomes peuvent se combiner entre eux pour former des molécules. La molécule est au mot, ce que l'atome est à la lettre...

Les atomes ayant un dernier niveau énergétique incomplet réagissent avec d’autres atomes de telles sortes que chaque atome complète son dernier niveau énergétique. Pour cela ils doivent soit mettre en commun des électrons soit les transférer complètement. Après ces interactions les atomes restent généralement proches l’un de l’autre retenu par des forces d’attractions appelées liaison chimique.

Les liaisons les plus fortes sont les liaisons covalentes et la liaison ionique être ions et atomes mais il existe aussi des liaisons hydrogène qui joue un rôle important dans la chimie de la vie.

a) la liaison covalente

La liaison covalente existe lorsque deux atomes partagent une ou plusieurs paires d’électrons de valence. Voyons ce qui se passe lorsque deux atomes d’hydrogène se rapprochent l’un de l’autre. Rappelez vous que l’hydrogène possède un électron de valence dans la première couche, mais cette couche peut en contenir deux. Lorsque deux électrons d’hydrogène se rapprochent assez pour que

leurs orbitales 1s se chevauchent ils mettent en commun leur unique électron chaque atome d’hydrogène possède alors deux électrons se déplaçant sur l’orbitale 1s et le dernier niveau énergétique est complet. Dans ce cas nous avons une molécule d’hydrogène constituées de deux atomes d’hydrogène retenus par une liaison covalente constituée de la paire d’électrons mis en commun.

Le symbole pour désigner cette molécule est H-H ; le tiret représentant la liaison covalente. Cette for de notation représentant les atomes et leurs liaison s’appelle formule développée. Nous pouvons l’abréger davantage en écrivant H2 la formule moléculaire indiquant que la molécule d’hydrogène consiste en deux atomes d’hydrogène. Avec 6 électrons dans la deuxième couche électronique qui peut en contenir 8 l’oxygène a besoin de deux électrons supplémentaires pour compléter son niveau énergétique. Pour constituer une molécule d’oxygène, deux atomes d’oxygène doivent mettre en commun deux électrons de valence. Les atomes s’unissent alors par une liaison covalente double. La formule développée de cette molécule est O=O, et sa formule moléculaire O2.

Chaque atome possède une capacité de liaison c'est-à-dire qu’il doit former un certain nombre de liaisons covalentes pour compléter son dernier niveau énergétique. Le nombre d’oxydation d’un atome détermine sa capacité de liaison. Il représente la quantité d’électrons qu’un atome doit perdre (signe+) ou gagner (signe -) ou mettre en commun pour compléter son dernier niveau d’énergie. Le nombre d’oxydation de l’hydrogène est +1. Cette valeur signifie que l’électron a plutôt tendance à s’éloigner du noyau de l’hydrogène et à se rapprocher d’un autre atome ; l’électron éloigne ainsi sa charge négative du noyau de l’hydrogène. Dans ce cas la charge positive du proton prédomine au sein de l’hydrogène ; d’où le +1 correspondant au nombre d’oxydation de l’hydrogène. Le nombre d’oxydation de l’oxygène est de -2.

Les molécules observées ici H2, O2, constituent des éléments purs et non des composés. Un composé correspond à la combinaison de deux ou plusieurs éléments différents.

L’eau par exemple est un composé de formule moléculaire H2O. Il faut deux atomes d’hydrogène pour combler le nombre d’oxydation d’un atome d’oxygène. CF Figure

Cette molécule revêt un intérêt tout particulier pour la vie. Nous en détaillerons plus tard la structure et les propriétés.

Le méthane constitue un autre exemple de composé. Il fait partie des composant du gaz naturel et possède la formule chimique CH4

Le 6C possède 4 électrons de valence de sortes que son nombre d’oxydation est de -4. Il faut quatre atomes d’hydrogène de +1 chacun pour compléter le dernier niveau énergétique

b) Importance biologique de la géométrie moléculaire

Une molécule possède une grosseur et une forme caractéristiques. La molécule d’eau par exemple prend la forme d’un angle presque droit. Ses deux liaisons covalentes faisant un angle de 104,5°.

La molécule de méthane a la forme d’un tétraèdre une pyramide a base triangulaire. Le noyau de l’atome de carbone se trouve au centre et ses 4 liaisons covalentes pointent vers les noyaux des atomes d’hydrogène situés aux sommets du tétraèdre.

Les molécules plus volumineuses on des formes plus complexes. En biologie moléculaire, la géométrie moléculaire permet de déterminer la façon dont les molécules se reconnaissent et interagissent entre elles.

c) la liaison ionique

Dans certains cas deux atomes exercent des attractions tellement inégales sur les électrons périphériques que l’atome électronégatif (c'est-à-dire qui a tendance à attirer vers lui les électrons) arrache complètement un électron à l’autre atome.

Cela se produit lorsque par exemple un atome de sodium 11Na rencontre un atome de Chlore 17Cl . L’atome de sodium possède 11 électrons dont un seul de valence. L’atome de chlore lui possède en tout 17 électrons dont 7 de valence. Lorsque ces deux atomes se rencontrent l’unique électron de valence du sodium va rejoindre l’atome de Chlore et les deux atomes ont des couches électroniques complètes.

Pour le sodium, sa dernière couche énergétique devient la deuxième couche complète.

Le transfert d’un électron entre les deux atomes déplace une unité de charge négative du sodium vers le chlore. Le sodium se retrouve ainsi avec 11 protons mais seulement 10 électrons ce qui lui donne une charge électrique nette de +1 à l’inverse et l’atome de chlore se trouve avec un électron de plus ce qui lui confère une charge électrique nette de 61.

Un atome ou une molécule chargée s’appelle un ion. Lorsque la charge est positive comme pour le sodium on parle d’un cation. Lorsque la charge est négative l’ion se nomme anion. C’est le cas de l’atome de chlore.

En raison de leur charge opposée les cations et les anions s’attirent l’un l’autre ce qui s’appelle une liaison ionique.

Les composés ioniques portent le nom de sels. Nous connaissons le chlorure de sodium. A l’état normal, les sels ont l’aspect de cristaux de taille et de forme différents.

d) la liaison hydrogène

La liaison hydrogène constitue un autre type de liaison chimique importante pour la vie. Une liaison hydrogène se forme lorsqu’un atome d’hydrogène, déjà lié par covalence à un atome électronégatif subit l’attraction d’un autre atome électronégatif. Dans les cellules, les atomes électronégatifs qui participent à des liaisons hydrogène sont le plus souvent l’oxygène et l’azote.

Dans le cas de la molécule d’ammoniac NH3 ou l’atome électronégatif d’azote porte une charge partielle négative parce qu’il attire vers lui les électrons mis en commun avec les atomes d’hydrogène.

Si une molécule d’eau et une molécule d’ammoniac s’approchent l’une de l’autre une faible attraction s’exercera entre l’atome d’azote chargé négativement e et un des atomes d’hydrogène chargé positivement de la molécule d’eau adjacente. Cette attraction est une liaison hydrogène

Importance des liaisons faibles en biologie

Les liaisons hydrogène (liaisons intermoléculaires sont 20 fois plus facile à briser que les liaisons covalentes (interatomiques)Les liaisons faibles permettent de brefs contacts entre les molécules ; les molécules s’associent, interagissent puis se séparent.

3 - Les réactions chimiquesLa formation et la rupture des liaisons chimiques provoquent des changements dans la composition de la matière et donnent lieu à des réactions chimiques. La réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène pour former de l’eau en constitue un exemple 2 H2 + O2 -> 2H2O

Cette réaction rompt les liaisons covalentes de H2 et de O2 et forme les nouvelles liaisons de la molécule d’eau

Pour écrire une réaction chimique on utilise la flèche qui indique la transformation substances de départ appelées réactifs en une ou plusieurs nouvelles substances appelées produits.

Les coefficients représentent le nombre de moles participantes. Une mole est une quantité de substance donnée, que ce soit un élément ou un composé, dont la masse est la somme des masses molaires atomiques de cette substance. Le 2 devant H2 signifie que la réaction commence avec deux moles de dihydrogène. Vous remarquerez que tous les atomes des réactifs doivent se retrouver dans les produits.

Il y a conservation de la matière dans une réaction chimique. : les réactions ne peuvent ni créer ni détruire de la matière mais seulement les réarranger de diverses façons.