Atomes, éléments et composés

Toutes les substances sont constituées d'environ 100 blocs de construction simples. Savoir comment ils sont assemblés permet de classer chaque substance dans l'un des trois groupes.

• Un élément 元素 est une substance constituée d'un seul type d'atome 原子. Vous ne pouvez pas le diviser en rien de plus simple par une réaction chimique. Exemples : cuivre, oxygène, carbone.
• Un composé 化合物 est deux éléments ou plus chimiquement liés (enchaînés) ensemble. Les atomes sont liés dans un rapport fixe. Exemples : eau, dioxyde de carbone. Un composé a des propriétés différentes des éléments qui le composent.
• Un mélange 混合物 est deux ou plusieurs substances qui sont simplement mélangées, pas chimiquement liées. Les composants conservent leurs propres propriétés et peuvent être séparés par des méthodes physiques. Exemple : air.

La différence clé : dans un composé, les éléments sont liés et ne peuvent être séparés que par des réactions chimiques ; dans un mélange, ils ne sont pas liés et sont faciles à séparer.

À l'intérieur de l'atome

Tout atome possède un petit centre dense appelé noyau nucleus 原子核. Autour de lui, les électrons 电子 se déplacent dans des coquilles 电子层 (niveaux d'énergie). Le noyau contient deux sortes de particules : les protons 质子 et les neutrons 中子.

Chaque particule a une masse relative et une charge relative 电荷. Vous devez apprendre ces valeurs :

Un atome n'a aucune charge globale car il a un nombre égal de protons ($+1$ chacun) et d'électrons ($-1$ chacun).

Numéro protonique et numéro de masse

Deux nombres décrivent un atome :

• Le numéro protonique 质子数 (aussi appelé numéro atomique 原子序数) est le nombre de protons dans le noyau. Il indique quel élément est l'atome.
• Le numéro de masse 质量数 (aussi appelé numéronucléon 核子数) est le nombre total de protons et de neutrons dans le noyau.

Donc le nombre de neutrons $=$ numéro de masse $-$ numéro protonique.

Configuration électronique

Les électrons remplissent les coquilles de l'intérieur vers l'extérieur. La première coquille retient jusqu'à 2 électrons ; les suivantes retiennent jusqu'à 8 chacune (pour les 20 premiers éléments). La configuration électronique 电子排bur liste combien d'électrons sont dans chaque coquille, en commençant par l'intérieur.

Par exemple, un atome avec 13 électrons a la configuration $2,8,3$. Le sodium (numéro protonique 11) est $2,8,1$. Le calcium (numéro protonique 20) est $2,8,8,2$.

La configuration est liée au Tableau périodique 周期表 :

• Le numéro de Groupe 族 (Groupes I à VII) est égal au nombre d'électrons dans la couche externe. Donc $2,8,1$ est dans le Groupe I.
• Le numéro de Période 周期 est égal au nombre de coquilles contenant des électrons. Donc $2,8,1$ a trois coquilles, donc il est dans la Période 3.
• Les gaz nobles 稀有气体 dans le Groupe VIII (ou 0) ont une couche externe complète, ce qui les rend très inactifs.

Les isotopes 同位素 sont des atomes du même élément qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Comme le numéro protonique est le même, ce sont le même élément. Comme le nombre de neutrons est différent, ils ont des numéros de masse différents.

Vous écrivez un atome avec son numéro de masse en haut et son numéro protonique en bas, comme $^{12}_{6}\text{C}$. Pour un ion, vous ajoutez la charge, comme $^{35}_{17}\text{Cl}^{-}$.

Les isotopes d'un élément ont des propriétés chimiques identiques. Cela s'explique par le fait que les réactions chimiques ne concernent que les électrons, et que les isotopes possèdent le même nombre d'électrons ainsi que la même configuration électronique. (Les neutrons supplémentaires modifient uniquement la masse.)

Calcul de la masse atomique relative

La masse atomique relative 相对原子质量 ($A_r$) d'un élément est la masse moyenne de ses atomes, en tenant compte de l'abondance de chaque isotope. L'abondance 丰度 correspond au pourcentage de chaque isotope.

Par exemple, le chlore est composé à 75 % de $^{35}\text{Cl}$ et à 25 % de $^{37}\text{Cl}$ :

Exemple résolu. Le bore possède deux isotopes, $^{10}\text{B}$ et $^{11}\text{B}$, et son $A_r$ est 10.8. Trouvez le pourcentage de chacun. Soit l'abondance de $^{11}\text{B}$ égale à $x$, donc l'abondance de $^{10}\text{B}$ est $(100 - x)$. Alors

donc $11x + 1000 - 10x = 1080$, ce qui donne $x = 80$. Le bore est 80% $^{11}\text{B}$ et 20% $^{10}\text{B}$. Vérifiez cela à l'aide du bon sens : 10.8 se rapproche de 11, donc l'isotope le plus lourd doit être le plus courant. Si votre réponse attribue la majorité à l'isotope le plus éloigné de $A_r$, vous les avez inversés.

Un ion 离子 est un atome (ou groupe d'atomes) ayant perdu ou gagné des électrons, lui conférant ainsi une charge électrique.

• Un atome métallique perd des électrons pour former un ion positif, appelé cation 阳离子.
• Un atome non métallique gagne des électrons pour former un ion négatif, appelé anion 阴离子.

Les atomes font cela afin d'obtenir une couche externe complète, semblable à celle des gaz nobles.

Formation d'une liaison ionique

Une liaison ionique 离子键 est une forte attraction électrostatique 静电引力 entre des ions de charges opposées (un ion $+$ et un ion $-$ s'attirent mutuellement).

Les liaisons ioniques se forment entre un métal 金属 et un non-métal 非金属. Prenons le cas du chlorure de sodium, $\text{NaCl}$. Le sodium ($2,8,1$) cède son unique électron de valence au chlore ($2,8,7$). Le sodium devient alors $\text{Na}^{+}$ ($2,8$) et le chlore devient $\text{Cl}^{-}$ ($2,8,8$). Les deux disposent désormais de couches externes complètes, et leurs charges opposées s'attirent.

On peut représenter ce processus par un schéma point-croix : dessinez les électrons de valence de chaque atome sous forme de points pour un élément et de croix pour l'autre, puis montrez le transfert de l'électron du métal vers le non-métal.

Structure et propriétés des composés ioniques

Un composé ionique 离子化合物 n'est pas constitué de molécules séparées. Les ions s'empilent pour former un réseau géant lattice 晶格 — un motif régulier comportant d'immenses quantités d'ions alternés 交替 positifs et négatifs.

Cette structure explique les propriétés suivantes :

Une liaison covalente 共价键 se forme lorsque deux atomes partagent une paire d'électrons. Grâce à ce partage, chaque atome obtient une couche externe complète (configuration de gaz noble). Les liaisons covalentes se forment entre des atomes non métalliques.

Quelques molécules à connaître :

• $\text{H}_2$ — deux atomes d'hydrogène partagent une paire d'électrons (liaison simple).
• $\text{Cl}_2$, $\text{HCl}$ — chacun partage une seule paire.
• $\text{H}_2\text{O}$ — l'oxygène partage une paire avec chacun de deux atomes d'hydrogène.
• $\text{NH}_3$ — l'azote partage une paire avec chacun de trois atomes d'hydrogène.
• $\text{CH}_4$ — le carbone partage une paire avec chacun de quatre atomes d'hydrogène.
• $\text{O}_2$ et $\text{CO}_2$ possèdent des liaisons doubles (deux paires partagées) ; $\text{N}_2$ possède une liaison triple (trois paires partagées) ; $\text{C}_2\text{H}_4$ et $\text{CH}_3\text{OH}$ utilisent également des paires partagées.

Dans un schéma point-croix pour une molécule, on dessine les électrons de valence de chaque atome et l'on indique quelles paires sont partagées dans la zone de recouvrement entre les atomes.

Propriétés des composés moléculaires simples

Ces substances sont constituées de petites molécules distinctes.

• Elles présentent des points de fusion et d'ébullition faibles. Bien que les liaisons covalentes à l'intérieur de chaque molécule soient fortes, les forces intermoléculaires 分子间作用力 (les forces entre une molécule et la suivante) sont faibles, nécessitant peu d'énergie pour séparer les molécules.
• Elles sont de mauvais conducteurs d'électricité, car les molécules n'ont pas de charge nette et ne possèdent ni électrons libres ni ions pour transporter la charge.

Certains substances covalentes ne sont pas constituées de petites molécules. Des millions d'atomes sont liés par des liaisons covalentes pour former une seule structure géante covalente 巨型共价结构. Les deux exemples essentiels sont toutes deux des formes du carbone.

Diamant 金刚石 : chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone. Cela crée un réseau 3-D très solide et rigide. Le diamant est extrêmement dur, il est donc utilisé dans les outils de coupe 切割工具.

Graphite 石墨 : chaque atome de carbone n'est lié qu'à trois autres, formant des plans en couches 层. De faibles forces existent entre ces couches, permettant aux couches de glisser les unes sur les autres ; le graphite est ainsi un bon lubrifiant 润滑剂. Le quatrième électron de valence de chaque atome de carbone est libre ; ces électrons délocalisés 离域电子 peuvent se déplacer, ce qui confère au graphite une conductivité électrique et l'utilise comme électrode 电极.

Oxyde de silicium(IV) 二氧化硅 ($\text{SiO}_2$) possède une structure géante covalente similaire à celle du diamant, il est donc également très dur et présente un point de fusion très élevé.

Un métal constitue une structure géante d'ions positifs entourés d'une « mer » d'électrons délocalisés libres de circuler dans tout le métal. La liaison métallique 金属键 est la forte attraction électrostatique entre ces ions positifs et la mer d'électrons.

Cela explique deux propriétés clés des métaux :

• Bonne conductivité électrique : les électrons délocalisés sont libres de se déplacer et de transporter la charge à travers le métal.
• Malleabilité 展性 (peut être martelé en feuilles) et ductilité 延性 (peut être étiré en fils) : les couches d'ions positifs peuvent glisser les unes sur les autres sans rompre la liaison métallique, permettant au métal de changer de forme plutôt que de se briser.

• Nombre de neutrons = nombre de masse − numéro atomique. Le numéro atomique (proton number) détermine l'identité chimique de l'atome.
• Les isotopes ont les mêmes propriétés chimiques car les réactions impliquent uniquement les électrons, et les isotopes partagent la même configuration électronique ; seule la masse diffère.
• Corrélation structure/propriétés : ionique = réseau géant (point de fusion élevé ; conduit uniquement à l'état fondu ou en solution) ; moléculaire simple = faibles forces entre les molécules (point de fusion bas ; aucune conduction) ; géante covalente = très dur, point de fusion très élevé.
• Le graphite conduit l'électricité et est glissant (un électron libre par carbone ; couches qui glissent) ; le diamant ne présente ni l'un ni l'autre (tous les quatre électrons sont liés, rendant la structure dure et isolante). Les métaux conduisent et se plient grâce à la mer d'électrons délocalisés.
• Pour la masse atomique relative, calculez la moyenne pondérée : $A_r = \dfrac{\sum(\text{isotope mass} \times \text{abundance})}{100}$.