Au centre de l'atome, tu trouves une masse dense appelée noyau. Imagine 6 millions de voitures écrasées les unes contre les autres en une masse d'à peine 1 pied de large, 1 pied de profondeur et 1 pied de hauteur. C'est la densité du noyau. Il contient des protons, qui sont chargés positivement, et des neutrons, qui ont une charge neutre.
Autour du noyau, tu trouves de minuscules particules chargées négativement appelées électrons. Les scientifiques aiment les imaginer comme des particules, mais en réalité, ils se comportent parfois comme des ondes - presque comme une onde lumineuse. Nous les imaginons tournoyant autour du noyau dans des trajectoires circulaires appelées orbitales. Mais bien que cela semble animé, l'atome est en fait un espace vide. Si un atome avait la taille d'une cathédrale, quelle serait la taille de son noyau ? La réponse : la taille d'une mouche.
La structure d'un atome[1] avec les électrons marqués en rouge, les protons en bleu et les neutrons en vert.Plazmi, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Le comportement des atomes dépend des électrons. Toutes les réactions impliquent le déplacement d'électrons. Parfois, il s'agit d'un déplacement d'un atome à un autre. Dans d'autres cas, il s'agit de passer d'un atome à un système délocalisé, où les électrons n'appartiennent à aucun atome en particulier. Plus un atome gagne ou perd facilement des électrons, plus il est susceptible de réagir avec une autre substance. Les atomes peuvent réagir ensemble pour former une variété de molécules et de structures différentes, allant de simples molécules diatomiques à de vastes réseaux.
À droite - une molécule diatomique, à gauche - un réseau géant, Christinelmiller, CC-BY-SA 4.0, Wikimedia Commons
Cela soulève des questions : pourquoi les atomes perdent-ils ou gagnent-ils des électrons ? Pourquoi ne déplacent-ils pas leurs protons ? Que forment les treillis et quelles forces les maintiennent ensemble ? Pourquoi certaines substances réagissent-elles si rapidement alors que d'autres sont pratiquement inertes, c'est-à-dire qu'elles ne réagissent pas du tout ?
Pour répondre à ces questions, nous devons nous pencher sur ce que l'on appelle la chimie physique.
La chimie physique est une branche de la chimie qui étudie le comportement des substances au niveau atomique ou moléculaire.
Dans des matières comme la biologie, tu étudies le fonctionnement d'organismes entiers - de leurs tissus et de leurs organes à la façon dont ils interagissent avec leur environnement. En physique, tu étudies des sujets tels que la matière, les forces et l'énergie. La chimie physique combine les deux. Elle fournit des explications claires sur la façon dont les lois physiques fondamentales qui régissent notre monde font que les atomes et les molécules se comportent et réagissent à leur tour pour construire ces structures organiques comme le cœur ou le cerveau. C'est le tremplin entre les forces simples et la vie complexe.
Les bases de la chimie physique
Nous avons mentionné les atomes ci-dessus, mais qu'est-ce que c'est au juste ?
Les atomes sont la plus petite unité de matière ordinaire qui forme un élément chimique.
En fait, les atomes sont les éléments fondamentaux de toutes les parties de la chimie, mais il y a d'autres termes assez importants que tu dois connaître :
- Un élément est une substance pure qui ne contient que des atomes ayant tous le même nombre de protons dansleur noyau. Cela ne veut pas dire grand-chose, mais cela signifie simplement, par exemple, que tous les atomes de carbone ont exactement six protons - ni plus ni moins. Nous avons également parlé des protons plus haut. Le nombre de protons d'un atome détermine exactement l'élément dont il fait partie.
- Si tu mets deux atomes ensemble, tu obtiens une molécule. Une molécule est constituée de deux ou plusieurs atomes liés chimiquement ensemble.
- Les molécules fabriquées à partir de différents éléments sont appelées des composés. Un composé est simplement constitué de deux ou plusieurs atomes d'éléments différents liés chimiquement ensemble.
- En chimie, on parle souvent d'espèce. Une espèce est un groupe d'entités identiques, qu'il s'agisse d'atomes, d'ions, de molécules ou de particules.
- Le tableau périodique est un tableau qui présente tous les éléments différents, classés selon leur nombre de protons et leurs propriétés. Les colonnes sont appelées groupes et les lignes périodes.
Thèmes de la chimie physique
En chimie physique, tu étudieras toute une série de sujets. Ceux-ci vont de la structure atomique, où tu en apprendras plus sur les particules à l'intérieur d'un atome, à la cinétique, où tu découvriras comment les réactions se produisent et comment nous pouvons les manipuler. D'autres sujets incluent les acides et les bases, la quantité de substance et les équilibres.
Structure atomique
Tu devrais déjà savoir ce qu'est un atome. C'est la plus petite unité d'un élément qui ne peut être décomposée par aucune réaction chimique. Mais cela ne signifie pas que les atomes ne contiennent pas leurs propres éléments constitutifs. Nous avons vu plus haut que les atomes sont constitués de particules subatomiques appelées protons, neutrons et électrons. Dans "Structure atomique", tu apprendras comment ces particules sont disposées à l'intérieur des atomes. Tu découvriras comment le fait de changer leur nombre modifie l'atome, et tu apprendras à définir des mots tels que ion, isotope et énergie d'ionisation.
Un ion est un atome qui a perdu ou gagné un électron pour former une particule chargée.
Les isotopes sont des atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons.
Par exemple, quelle est la différence entre un atome d'hydrogène et un atome d'hélium ? Comment peut-on les distinguer ? Peut-on passer de l'un à l'autre - et si ce n'est pas le cas, pourquoi ?
À gauche : un atome d'hydrogène. À droite : un atome d'hélium. Peux-tu repérer les différences ?commons.wikimedia.org
Quantité de substance
Une fois que tu as appris à connaître les atomes et les éléments, tu peux commencer à regarder comment ils réagissent ensemble. Mais avant cela, tu dois comprendre les bases des réactions et la façon dont les chimistes travaillent avec elles. Dans "Quantité de substance", tu aborderas des sujets tels que la masse moléculaire, les formules empiriques et la mole.
La masse moléculaire est la somme des masses atomiques de tous les atomes d'une molécule.
Lestaupes n'ont rien à voir avec l'animal - une mole est une quantité spécifique d'atomes ou de molécules. Elles facilitent grandement les équations de réaction.
Il y a 602 sextillions de molécules dans une mole de n'importe quelle substance. C'est ce qu'on appelle la constante d'Avogadro.StudySmarter Originals
Par exemple, si nous connaissons des valeurs telles que la masse d'un échantillon et sa formule chimique, nous pouvons calculer non seulement le nombre de moles qu'il contient, mais aussi le nombre de moles d'un produit que nous attendons d'une réaction.
Tu n'as peut-être pas obtenu autant de produit que prévu. On pourrait dire que ta réaction a un faible pourcentage de rendement. Dans "Quantité de substance", tu apprendras également comment calculer ce pourcentage de rendement et pourquoi il est parfois si faible.
Liaison
Nous savons que les atomes réagissent en déplaçant leurs électrons. Les atomes veulent être dans l'état le plus stable possible, et ils y parviennent en perdant ou en gagnant des électrons. Trop d'électrons ? Ils en cèdent quelques-uns. Pas assez ? Ils essaient d'en gagner quelques-uns.
Dans "Liaison", tu exploreras quelques-unes des façons dont les atomes déplacent leurs électrons, qu'ils les donnent à d'autres atomes ou qu'ils les partagent entre eux. Le déplacement des électrons forme des liaisons, et tu découvriras les différents types de liaisons entre les atomes. Tu définiras également ce qu'on appelle l'électronégativité.
L'électronégativité est la capacité d'un atome à attirer une paire d'électrons liés.
Ce sujet s'appuie sur tes connaissances de la structure atomique. Il intègre également des connaissances sur les forces et l'attraction. Par exemple, quelles sont les forces qui maintiennent une liaison ensemble ? Pourquoi certaines liaisons sont-elles beaucoup plus fortes que d'autres ?
Après avoir étudié les liaisons d'un point de vue subatomique, tu les examineras au niveau moléculaire. Tu appliqueras à nouveau tes connaissances sur les forces pour expliquer pourquoi les molécules ont des formes différentes, et tu étudieras comment les liaisons entre les molécules confèrent aux substances des propriétés si différentes.
Quelques exemples de formes de molécules, Domaine public
commons.wikimedia.org
Énergétique et thermodynamique
Qu'est-ce qui détermine si deux substances réagissent ensemble ? C'est ce que nous appelons la faisabilité d'une réaction, et tout cela est lié aux changements d'énergie. Dans les sections "Énergétique" et "Thermodynamique", tu apprendras à connaître deux idées connexes connues sous le nom d'enthalpie et d'entropie.
Le changement d'enthalpie est le changement de chaleur d'une réaction chimique à température et pression constantes. L'enthalpie n'est en fait qu'une mesure de l'énergie.
Tu découvriras pourquoi certaines substances dégagent de la chaleur lorsqu'elles réagissent et comment nous mesurons cette chaleur au cours d'un processus appelé calorimétrie. Ensuite, tu t'entraîneras à calculer les variations d'énergie des réactions en dessinant des diagrammes d'enthalpie. Une fois que tu auras terminé ce sujet, tu seras capable de prédire la faisabilité d'une réaction en examinant simplement quelques valeurs d'enthalpie et d'entropie.
Diagramme d'enthalpie pour une réaction exothermique[3], Brazosport College, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons
Cinétique et équations de vitesse
Maintenant que nous savons pourquoi les atomes réagissent d'un point de vue chimique, nous pouvons nous intéresser à nouveau à la physique. "La cinétique" est l'étude du mouvement des particules et de la façon dont il affecte les systèmes changeants. Prenons l'exemple du fer et de l'eau. Ils réagissent pour produire de l'oxyde de fer(III). À température ambiante, cette réaction est très lente. Mais si tu fais plutôt réagir le fer avec de la vapeur, la réaction se produit beaucoup plus rapidement. Pourquoi en est-il ainsi ?
Dans "Cinétique", tu découvriras les vitesses de différentes réactions et comment nous pouvons les manipuler. La chaleur est l'un des moyens d'augmenter la vitesse d'une réaction, mais tu exploreras également d'autres facteurs tels que la surface et la concentration. Tu approfondiras ces connaissances dans "Équations de vitesse". À la fin de ce sujet, tu sauras comment calculer la vitesse des réactions à la fois expérimentalement et théoriquement.
Équilibres
Dans "Thermodynamique", tu as appris ce qu'était la faisabilité d'une réaction. En fait, certaines réactions sont réalisables dans les deux sens - il y a une réaction en avant et une réaction en arrière.
Examinons le chlorure d'ammonium solide et blanc, NH_4Cl. Il se décompose en gaz ammoniac et en acide chlorhydrique.
$$ NH_4Cl_{(s)}\rightleftharpoons NH_{3(g)}+ HCl_{(g)} $$
Si tu laisses la réaction seule dans un système fermé, il restera toujours un peu de solide blanc, quelle que soit la durée de la réaction. La réaction n'est pas complète. On dit que ce type de réaction est réversible - comme une partie du chlorure d'ammonium se décompose, une autre est reformée à partir de l'ammoniac et de l'acide chlorhydrique. Cela forme un équilibre.
Un équilibre chimique est un système de réaction avec des concentrations constantes de produits et de réactifs, où la vitesse de la réaction en avant est la même que la vitesse de la réaction en arrière.
Mais que se passe-t-il si nous ne voulons pas de chlorure d'ammonium ? Comment pouvons-nous influencer la réaction pour maximiser notre rendement en ammoniac et en acide chlorhydrique ? Dans "Équilibres", tu apprendras comment la modification des conditions de réaction fait basculer la réaction d'un côté ou de l'autre. Tu rencontreras Le Châtelier et en sauras plus sur son principe, puis tu l'appliqueras à des exemples industriels, comme la production d'éthanol. Nous explorerons également les constantes d'équilibre, Kp et Kc. Tu pourras les utiliser pour déterminer la composition d'un mélange à l'équilibre.
L'oxydoréduction
Ci-dessus, nous avons mentionné comment l'oxyde de fer(III) se forme à partir du fer et de l'eau. Mais que signifient les chiffres romains indiqués après le fer ?
Eh bien, ils décrivent ce qu'on appelle les états d'oxydation. Tu en apprendras plus à ce sujet dans la section "Redox". Les états d'oxydation indiquent combien d'électrons un atome a perdu ou gagné au cours d'une réaction. Dans les réactions d'oxydation, les atomes perdent des électrons, tandis que dans les réactions de réduction, les atomes gagnent des électrons. Nous reviendrons sur le mouvement des électrons et nous nous entraînerons à écrire des demi-équations pour le représenter.
Tu exploreras ensuite les cellules électrochimiques. Imagine que tu accroches deux métaux différents à un fil et que tu les plonges dans une solution saline. Que penses-tu qu'il va se passer ? Pourquoi un courant est-il produit et comment pouvons-nous prédire la direction dans laquelle il circulera ? Nous pouvons utiliser nos connaissances de la structure atomique et de l'électronégativité pour répondre à ces questions.
Une cellule électrochimique.StudySmarter Originals
Acides et bases
Pour le dernier sujet "Acides et bases", au lieu de nous concentrer sur le mouvement des électrons, nous allons nous intéresser au mouvement des protons. Tu as appris dans "Structure atomique" que l'ion hydrogène, \(H^+\), ne contient qu'un proton et aucun électron ou neutron, c'est pourquoi nous l'appelons un proton. Lorsque des substances appelées acides et bases réagissent dans des réactions dites de neutralisation, elles déplacent des protons. Les réactions de neutralisation sont extrêmement courantes dans la vie de tous les jours - par exemple, les dentifrices neutralisent les composés acides produits par les bactéries dans nos dents, et la levure chimique contient un mélange d'acides et de bases qui, lorsqu'ils sont dissous dans une solution, produisent des gaz qui font lever les gâteaux.
Tu découvriras l'échelle de pH, inventée par un biochimiste danois qui travaillait pour une société de brasserie. Tu découvriras également comment calculer le pH des substances avant et après neutralisation. Enfin, tu exploreras comment le pH change dans les titrages.
L'échelle du pH. Les substances acides ont un pH faible et les substances alcalines ont un pH élevé.StudySmarter Originals
Chimie physique - Points clés
- La chimie physique est une branche de la chimie qui étudie le comportement des substances au niveau atomique ou moléculaire.
- La "structure atomique" couvre la composition des atomes et la façon dont les atomes de différents éléments varient les uns par rapport aux autres.
- "Quantité de substance" comprend les rendements de réaction, les formules empiriques et la mole.
- "Liaison" explore la façon dont les différents atomes déplacent les électrons lors des réactions chimiques et les structures qu'ils forment.
- "Énergétique" et "Thermodynamique" explorent les changements d'énergie au cours des réactions, notamment l'enthalpie et l'entropie.
- La "cinétique" est l'étude du mouvement des particules et de la façon dont il affecte les systèmes changeants.
- "Équilibres" explore la façon dont nous pouvons modifier les conditions des réactions à l'équilibre et prédire la composition des mélanges à l'équilibre.
- "Redox" étudie les réactions d'oxydation et de réduction et les cellules électrochimiques.
- "Acides et bases" se penche sur les réactions de neutralisation et le mouvement des protons.
Références
- Image de l'atome de sodium, par Plazmi, wikimedia commons-licensed under CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en
- 2. Image de la molécule diatomique, par Christinelmiller, wikimedia commons-licensed under CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en
- Brazosport College, CC BY-SA 3.0
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