Problèmes pratiques 1.1 (réponses à la fin du chapitre)

a) Quelle est l'origine du mot «électricité»?

b) Quelle est la différence fondamentale entre les propriétés physiques et les propriétés chimiques de la matière? l

c) Citer les trois états de la matière.

1.2 STRUCTURE MOLÉCULAIRE

Essayons de nous représenter mentalement l'expérience suivante.

D'un récipient contenant une certaine quantité d'eau, nous transférons la moitié de cette eau dans un second récipient Ainsi chaque moitié conserve la composition chimique et les propriétés de l'ensemble original.

Or, en subdivisant plusieurs fois l'un des échantillons, nous arriverons à un point où la particule d'eau obtenue sera si petite que nous serons dans l'impossibilité de la dédoubler davantage par des moyens physiques. Cette plus petite particule qui puisse exister à l'état libre sans cesser d'être de l'eau s'appelle une molécule.

Les molécules sont extrêmement petites et l'on ne peut les observer directement, même à Paide des plus puissants microscopes. Leur existence ne peut être démontrée que par des méthodes indirectes, mais les progrès constants de la chimie permettent d'acquérir des connaissances de plus en plus précises sur la structure moléculaire.

Éléments

Les matériaux dont l'univers est fait se composent d'un nombre relativement restreint de corps simples appelés éléments, lesquels, par définition, ne peuvent être décomposés en substances plus simples par des moyens chimiques. On en a relevé, à ce jour, 118.

Les atomes sont les plus petites particules de matière qui puissent entrer en combinaison chimique; on peut les qualifier d'unités chimiques fondamentales de la matière.

Pour simplifier l'écriture chimique, on se sert d'un système de symboles chimiques représentant les éléments, leurs atomes et les masses atomiques de ces derniers. On utilise comme symboles les initiales des noms des éléments.

Par exemple, H est le symbole de l'hydrogène, O celui de l'oxygène et S celui du soufre. Lorsque les noms de plusieurs éléments commencent par la même lettre, on en ajoute une seconde.

Ainsi, puisque C représente le carbone, on aura Ca pour le calcium, Cd pour le cadmium, Ce pour le cérium, Cs pour le césium, Co pour le cobalt et Cr pour le chrome.

La seconde lettre est toujours une minuscule.

Les éléments se combinent les uns aux autres pour former des composés. Ces derniers sont des substances homogènes ayant une composition uniforme et des propriétés identiques en toutes leurs parties.

On ne peut distinguer, dans un composé, les particules des éléments constituants. Les propriétés d'un composé sont tout à fait différentes de celles des éléments qui sont entrés en combinaison.

Donnons un exemple illustrant ce fait.

L'eau est un corps constitué par l'union de l'hydrogène et de l'oxygène. Ces deux éléments sont des gaz à l'état naturel. Or l'hydrogène est très inflammable et l'oxygène entretient la combustion.

Pourtant, l'eau a des propriétés fort différentes de celles de ses constituants.

L'atome d'un élément est représenté par un symbole, tandis que la molécule d'un élément ou d'un composé est représentée par une formule.

La formule d'une molécule réunit les symboles des éléments qui constituent le composé. Les nombres d'atomes des éléments présents dans le composé sont indiqués au moyen d'indices placés à droite en bas des symboles. L'indice 1 est toujours sous-entendu.

Ainsi, la formule de l'eau, H₂O, indique que la molécule contient deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène.

La molécule d'oxygène contient deux atomes; sa formule est donc O₂.

Pour certaines formules, on fait usage de parenthèses; par exemple, la formule du nitrate de cuivre est Cu(NO₃)₂.

Dans ce cas, l'indice venant après la parenthèse indique le nombre de fois que le groupe d'atomes à l'intérieur des parenthèses apparaît dans la formule.

Un mélange est une simple juxtaposition de substances conservant chacune leurs propriétés. Du sucre dissous dans l'eau donne un mélange homogène où les constituants ne peuvent être distingués au microscope; on a donc là une solution.

Certains mélanges diffèrent des solutions en ce qu'ils comportent des parties différentes, appelées phases, et séparées les unes des autres par des délimitations physiques; ce sont des mélanges hétérogènes, dont un échantillon de granit constitue un bon exemple.

Un examen rudimentaire révèle la présence de trois substances cristallines dans le granit: le quartz, le feldspath et le mica.

Les mélanges peuvent donc être homogènes ou hétérogènes; tous, cependant, renferment au moins deux substances.

Dans le cas des mélanges hétérogènes, les substances constituantes peuvent être présentes dans des proportions variant à l'infini.

Dans certaines solutions, le degré de solubilité varie avec chaque substance.

Ainsi, à une température de 20°C, 100 g d'eau ne peuvent dissoudre plus de 36 g de chlorure de sodium. En deçà de cette limite, on peut varier à volonté la concentration en chlorure de sodium.

La composition d'un mélange est donc variable, tandis que celle d'un composé ne l'est pas.

Les constituants d'un mélange conservent leurs propriétés, desquelles se déduisent celles du mélange. L'air, la terre, le papier, la peinture et le charbon sont quelques exemples de mélanges communs.

L'une des tâches importantes du chimiste consiste à déterminer la composition de corps composés. Pour effectuer cette recherche, il a recours à deux méthodes générales de travail: l'analyse et la synthèse.

La composition d'environ un million de corps a été trouvée au moyen de ces méthodes. Dans chaque cas, les recherches ont révélé que le pourcentage en masse de chaque élément constituant était constant.

Ces résultats sont formulés dans la loi des proportions définies qui stipule que, dans un composé chimique pur, les mêmes éléments sont toujours unis dans les mêmes proportions en masse.

 Le tableau 1-2 donne quelques exemples de compositions centésimales.

II arrive que les mêmes éléments se combinent dans des rapports différents pour donner divers composés. Par exemple, le monoxyde de carbone et le bioxyde de carbone contiennent respectivement 16 g et 32 g d'oxygène combinés à 12 g de carbone.

Dans ces composés, les différentes masses d'oxygène qui se sont combinées à la même masse de carbone sont dans un rapport de 16 à 32 ou de 1 à 2.

Dans tous les cas semblables, il existe un rapport simple entre les diverses masses d'un élément qui se combinent à une même masse d'un autre élément.

C'est la loi des proportions multiples que l'on peut exprimer de la façon suivante: lorsque deux éléments A et B se combinent pour former plusieurs composés, les différentes masses de A qui entrent en combinaison avec une masse donnée de B sont entre elles dans des rapports simples.

L'eau et le peroxyde d'hydrogène constituent une autre application de cette loi. La relation entre les masses d'oxygène et d'hydrogène que l'on retrouve dans ces composés est indiquée au tableau 1-3.

Problèmes pratiques 1.2 (réponses à la fin du chapitre)

Répondre par vrai ou faux:

(a) Les éléments sont décomposables en substances plus simples;

(b) Les atomes sont les plus petites particules qui puissent entrer en combinaison chimique;

(c) La composition centésimale de l'eau est de 88,8 % d'oxygène et de 11,2 % d'hydrogène.

1.3 STRUCTURE ATOMIQUE

Toute matière ou substance, de même que tous les objets sont composés d'atomes. Les atomes sont les blocs de construction universels de la nature.

Indépendamment de leurs caractéristiques physiques, le verre, la craie, le roc et le bois sont tous constitués d'atomes.

Le roc est différent du bois par son type d'atomes distinct de celui du bois.

Il existe plus de 100 types d'atomes différents. Chaque type d'atomes est appelé un élément. Il existe donc plus de 100 éléments différents. Le cuivre, l'argent et l'or sont des éléments.

Nous venons de voir que toute matière est constituée d'atomes.

Mais, pour réellement comprendre l'électricité, nous devons «scinder» l'atome en particules plus petites.

Pour bien comprendre l'électricité, les trois particules principales de l'atome, soit l'électron, le proton et le neutron, doivent nous devenir familières.

La figure 1-1 représente de façon imagée les trois particules principales d'un atome d'hélium.

Figure 1-1 Structure d'un atome d'hélium.

Le centre de l'atome est appelé son noyau.

Ce noyau contient les protons et les neutrons. Les électrons tournent autour du noyau selon des trajectoires elliptiques.

L'électron est beaucoup plus volumineux (près de 2000 fois plus volumineux) que le proton et le neutron. Malgré cela, l'électron est beaucoup plus léger (près de 2000 fois plus léger) que le proton et le neutron.

Le noyau contient donc la plus grande partie de la masse d'un atome, mais les électrons se réservent la plus grande partie du volume occupé par la masse d'un atome.

Remarquons aussi que la distance entre le noyau et un électron est énorme par rapport à la dimension de cet électron. En fait, cette distance est d'environ 60 000 fois le diamètre de l'électron.

L'analogie suivante permet de mieux entrevoir les dimensions relatives des particules atomiques et des distances entre elles.

Supposons le noyau de l'atome d'hydrogène représenté par une dalle de pavement en marbre ordinaire.

L'électron serait alors représenté par une sphère de 31 m de diamètre située à 1610 km de cette dalle. Cette distance entre le noyau et l'électron est relativement grande par rapport à leurs dimensions respectives, mais nous devons nous souvenir que ces dimensions et distances sont sous-microscopiques.

En réalité le diamètre d'un électron n'est que de 4 x 10^-13 cm (0,000 000 000 000 4 cm).

Les électrons décrivent des orbites autour du noyau de l'atome de la même manière, en quelque sorte, que la terre tourne autour du soleil (figure 1-1).

Les atomes plus complexes comprennent plusieurs électrons, mais chaque électron possède sa propre orbite. La coordination des électrons en orbite permet le partage d'un même espace entre plusieurs atomes.

Mieux encore, dans de nombreuses substances les atomes voisins se partagent non seulement un même espace, mais aussi des électrons.

La figure 1-2 représente, en deux dimensions, un atome d'aluminium.

Figure 1-2 Représentation simplifiée d'un atome d'aluminium montrant ses 13 électrons ( — ), ses 13 protons ( + ) et ses 14 neutrons (N).

Rappelons-nous que chaque électron décrit sa propre orbite autour du noyau. Les deux électrons les plus proches du noyau ne décrivent pas en réalité la même orbite. Leur distance moyenne à partir du noyau est la même.

On dit que les deux électrons les plus proches du noyau occupent la première couche orbitale (en abrégé couche) ou encore le premier niveau d'énergie de l'atome.

Cette première couche ne peut contenir que deux électrons. Les atomes à plus de deux électrons comme celui de l'aluminium, par exemple, présentent au moins une deuxième couche.

La deuxième couche d'un atome d'aluminium contient huit électrons. C'est le nombre maximal d'électrons que la seconde couche de n'importe quel atome peut contenir.

La troisième couche contient au maximum 18 électrons et la quatrième au maximum 32 électrons, peu importe la substance envisagée.

Comme l'atome d'aluminium (figure 1-2) n'a que 13 électrons, sa troisième couche ne comporte que trois électrons. Le nombre d'électrons ou de protons d'un atome à l'état naturel d'un élément donné est appelé le numéro atomique de cet élément.

Problèmes pratiques 1.3 (réponses à la fin du chapitre)

(a) Quelles sont les principales particules d'un atome?

(b) Quelle partie de l'atome contient la plus grande part de sa masse?

(c) Quelle particule de l'atome contient la plus grande part du volume occupé par sa masse?

(d) Comparer le diamètre d'un électron et la distance d'un électron à un proton. Lequel a la plus grande valeur?

1.4 CHARGE ÉLECTRIQUE, ÉLECTRONS DE VALENCE, ÉLECTRONS LIBRES ET IONS

Charge électrique Les électrons et les protons possèdent des charges électriques mais ces charges sont de polarités opposées.

La polarité indique le type de charge (négative ou positive).

L'électron possède une charge négative ( —), tandis que le proton possède une charge positive ( + ). Ces charges électriques créent des champs de force électriques qui se comportent comme des champs de force magnétiques.

Reportons-nous à la figure 1-3, le noyau de l'atome, ne possède aucune charge électrique. On peut donc, si l'on considère la charge électrique de l'atome, ignorer les neutrons. 

Figure 1-3 Champs électriques entre les charges: (a) et (b), des charges semblables se repoussent; (c), des charges opposées s'attirent.

Selon les lois de Newton régissant le mouvement des corps, il existe une force résultante dite centripète tendant à faire «tomber» les électrons sur le noyau. Cette force est contrebalancée par une force dite centrifuge qui, elle, tend à expulser les électrons hors de leur trajectoire.

Dans son état naturel ou neutre, un atome présente toujours une charge électrique nette nulle, ce qui signifie qu'il possède autant d'électrons que de protons.

Considérons, par exemple, l'atome d'aluminium illustré (sous forme simplifiée) à la figure 1-2.

Ses 13 électrons décrivent des orbites autour de son noyau, ce noyau contient 13 protons en plus de ses 14 neutrons. Nous pouvons donc dire que l'atome d'aluminium est électriquement neutre, bien que les électrons et les protons pris individuellement soient électriquement chargés.

Électrons de valence Les électrons de la couche extérieure d'un atome sont appelés les électrons de valence. Les électrons de valence sont les particules atomiques impliquées dans les réactions chimiques et les courants électriques.

La force d'attraction entre des charges opposées est une des forces de maintien en orbite des électrons. Plus les charges électriques sont rapprochées, plus leur attraction électrique est grande. L'attraction entre un proton du noyau et un électron diminue donc à mesure que cet électron s'éloigne du noyau.

Les électrons de valence sont donc soumis par le noyau à une force d'attraction moins grande que les électrons des couches internes. Ils peuvent ainsi être arrachés plus facilement de leur atome que ceux des autres couches.

*Certains métaux ont plusieurs valences quand ils forment des composés chimiques. Voici quelques exemples: le cuivre cuivreux ou cuivrique, le fer ferreux ou ferrique, l'or aureux ou aurique.

Tous les électrons possèdent de l'énergie. Ils possèdent de l'énergie car ils ont une certaine masse et qu'ils se déplacent. Ils sont donc capables d'accomplir un certain travail. Les électrons de valence possèdent plus d'énergie que ceux des autres couches.

En général, plus un électron est loin du noyau, plus il possède de l'énergie. Lorsqu'un électron est arraché de son atome, son niveau d'énergie croît. Devenu électron libre, il possède plus d'énergie qu'il en avait à l'état d'électron de valence.

Électrons libres