Mesures et Structure Atomique

0 leçon(s) terminée(s) sur 8 (0 %)

Mesures et Structure Atomique

I – Why Study Chemistry – Pourquoi étudier la chimie?

Vous n’avez pas accès à cette leçon

Veuillez vous inscrire ou vous connecter pour accéder au contenu du cours.

I – Why Study Chemistry – Pourquoi étudier la chimie?

La chimie est la branche de la science qui traite de la structure, de la composition, des propriétés et des caractéristiques réactives de la matière. La matière est tout ce qui a une masse et occupe un espace. La chimie est donc l’étude de tout ce qui nous entoure – les liquides que nous buvons, les gaz que nous respirons, la composition de tout, de l’étui en plastique de votre téléphone à la terre qui se trouve sous vos pieds. En outre, la chimie est l’étude de la transformation de la matière. Le pétrole brut est transformé en produits pétroliers plus utiles, tels que l’essence et le kérosène, par le processus de raffinage. Certains de ces produits sont ensuite transformés en matières plastiques. Les minerais métalliques bruts sont transformés en métaux, qui peuvent ensuite être façonnés pour fabriquer toutes sortes de produits, du papier d’aluminium aux automobiles. Les médicaments potentiels sont identifiés à partir de sources naturelles, isolés et préparés en laboratoire. Leurs structures sont systématiquement modifiées pour produire les produits pharmaceutiques qui ont permis de grandes avancées dans la médecine moderne. La chimie est au cœur de tous ces processus et les chimistes sont les personnes qui étudient la nature de la matière et apprennent à concevoir, prédire et contrôler ces transformations chimiques. Au sein des branches de la chimie, on trouve plusieurs subdivisions apparentes. La chimie inorganique, historiquement, s’est concentrée sur les minéraux et les métaux trouvés dans la terre, tandis que la chimie organique s’est occupée des composés contenant du carbone qui ont été identifiés pour la première fois dans les êtres vivants. La biochimie est le résultat de l’application de la chimie organique à la biologie et se rapporte à la base chimique des êtres vivants. Dans les derniers chapitres de ce texte, nous explorerons la chimie organique et la biochimie un peu plus en détail et vous remarquerez des exemples de composés organiques disséminés dans le texte. Aujourd’hui, les frontières entre les différents domaines se sont considérablement estompées et l’on attend d’un chimiste contemporain qu’il dispose d’un large bagage dans tous ces domaines.

Dans ce chapitre, nous aborderons certaines des propriétés de la matière, la manière dont les chimistes mesurent ces propriétés et nous introduirons une partie du vocabulaire utilisé en chimie et dans les autres sciences physiques.

Commençons par la matière. La matière est définie comme toute substance ayant une masse. Il est important de faire la distinction entre le poids et la masse. Le poids est le résultat de l’attraction de la gravité sur un objet. Sur la Lune, un objet pèsera moins que le même objet sur Terre, car l’attraction gravitationnelle est moindre sur la Lune. La masse d’un objet, en revanche, est une propriété inhérente à cet objet et ne change pas, quels que soient le lieu, l’attraction gravitationnelle ou autre. C’est une propriété qui dépend uniquement de la quantité de matière contenue dans l’objet.

Les théories contemporaines suggèrent que la matière est composée d’atomes. Les atomes eux-mêmes sont construits à partir de neutrons, de protons et d’électrons, ainsi que d’un nombre toujours croissant d’autres particules subatomiques. Nous nous concentrerons sur le neutron, une particule sans charge, le proton, qui porte une charge positive, et l’électron, qui a une charge négative. Les atomes sont incroyablement petits. Pour vous donner une idée de la taille d’un atome, une seule pièce de monnaie en cuivre contient environ 28 000 000 000 000 000 000 000 atomes (soit 28 sextillions). Les atomes et les particules subatomiques étant si petits, leur masse n’est pas facilement mesurable en livres, onces, grammes ou toute autre échelle que nous utiliserions pour des objets plus grands. Au lieu de cela, la masse des atomes et des particules subatomiques est mesurée à l’aide d’unités de masse atomique (abrégées en amu). L’unité de masse atomique est basée sur une échelle qui relie la masse des différents types d’atomes entre eux (en utilisant la forme la plus courante de l’élément carbone comme étalon). L’échelle de l’amu nous donne un moyen pratique de décrire les masses des atomes individuels et d’effectuer des mesures quantitatives concernant les atomes et leurs réactions. Dans un atome, le neutron et le proton ont tous deux une masse d’un amu ; l’électron a une masse beaucoup plus petite (environ 0,0005 amu).

La théorie atomique place le neutron et le proton au centre de l’atome, dans le noyau. Dans un atome, le noyau est très petit, très dense, porte une charge positive (due aux protons) et contient pratiquement toute la masse de l’atome. Les électrons sont placés dans un nuage diffus entourant le noyau. Le nuage d’électrons porte une charge négative nette (due à la charge des électrons) et, dans un atome neutre, il y a toujours autant d’électrons dans ce nuage que de protons dans le noyau (les charges positives du noyau sont équilibrées par les charges négatives des électrons, ce qui rend l’atome neutre).

Un atome est caractérisé par le nombre de neutrons, de protons et d’électrons qu’il possède. Aujourd’hui, nous reconnaissons au moins 116 types d’atomes différents, chaque type ayant un nombre différent de protons dans son noyau. Ces différents types d’atomes sont appelés éléments. L’élément neutre hydrogène (l’élément le plus léger) aura toujours un proton dans son noyau et un électron dans le nuage qui entoure le noyau. L’élément hélium aura toujours deux protons dans son noyau. C’est le nombre de protons dans le noyau d’un atome qui définit l’identité d’un élément. Les éléments peuvent cependant avoir des nombres différents de neutrons dans leur noyau. Par exemple, il existe des noyaux d’hélium stables qui contiennent un ou deux neutrons (mais ils ont tous deux protons). Ces différents types d’atomes d’hélium ont des masses différentes (3 ou 4 amu) et sont appelés isotopes. Pour un isotope donné, la somme des nombres de protons et de neutrons dans le noyau s’appelle le nombre de masse. Tous les éléments existent sous la forme d’une collection d’isotopes, et la masse d’un élément que nous utilisons en chimie, la masse atomique, est la moyenne des masses de ces isotopes. Pour l’hélium, il y a environ un isotope d’hélium 3 pour un million d’isotopes d’hélium 4, ce qui fait que la masse atomique moyenne est très proche de 4 (4,002602).

Au fur et à mesure que de nouveaux éléments ont été découverts et nommés, des abréviations de leurs noms ont été développées pour permettre une abréviation chimique pratique. L’abréviation d’un élément est appelée son symbole chimique. Un symbole chimique se compose d’une ou deux lettres, et la relation entre le symbole et le nom de l’élément est généralement évidente. Ainsi, le symbole chimique de l’hélium est He, celui de l’azote est N et celui du lithium est Li. Parfois, le symbole est moins apparent, mais il est déchiffrable : le magnésium est Mg, le strontium est Sr et le manganèse est Mn. Les symboles des éléments connus depuis l’Antiquité sont souvent basés sur des noms latins ou grecs et semblent quelque peu obscurs par rapport à leurs noms anglais modernes. Par exemple, le cuivre est Cu (de cuprum), l’argent est Ag (d’argentum), l’or est Au (d’aurum) et le fer est (Fe de ferrum). Tout au long de votre étude de la chimie, vous utiliserez régulièrement des symboles chimiques et il est important que vous commenciez à apprendre les noms et les symboles chimiques des éléments communs. Lorsque vous aurez terminé votre cours de chimie générale, vous constaterez que vous êtes capable de nommer et d’identifier la quasi-totalité des 116 éléments connus. Le tableau 1.1 contient une première liste d’éléments communs que vous devriez commencer à apprendre dès maintenant !

Tableau 1.1 : Noms et Symboles Chimiques des Éléments Courants

Pour écrire le symbole atomique d’un élément en incluant des informations sur le nombre de protons et de neutrons dans un isotope particulier, on commence par le symbole chimique de l’élément. Ensuite, on écrit le numéro atomique (nombre de protons dans le noyau) en indice à gauche du symbole chimique, et le nombre de masse (total des protons et neutrons) en exposant au-dessus du numéro atomique.

Par exemple, pour l’hélium, dont le numéro atomique est 2 et le nombre de masse est 4 (car il y a 2 protons et 2 neutrons), le symbole atomique est

Pour le carbone, l’isotope le plus commun est , qui a une masse de 12 unités de masse atomique (amu). Les masses atomiques des autres éléments sont calculées par rapport à cet isotope de carbone.

Le chlore (symbole chimique Cl) a deux isotopes principaux : l’un avec 18 neutrons (75,77 % de l’abondance naturelle) et l’autre avec 20 neutrons (24,23 % de l’abondance naturelle). Le numéro atomique du chlore est 17, donc les symboles chimiques pour ces isotopes sont

Pour calculer la masse atomique moyenne du chlore, on utilise les abondances naturelles des isotopes. On convertit les pourcentages en fractions : 0,7577 pour le chlore-35 et 0,2423 pour le chlore-37. Ensuite, on multiplie chaque fraction par le nombre de masse correspondant : (0,7577 × 35) = 26,51 et (0,2423 × 37) = 8,965. En additionnant ces valeurs, on obtient 35,48, qui est la masse atomique moyenne du chlore.

Récapitulatif en tableau:
Image générée

 

I – Why Study Chemistry – Pourquoi étudier la chimie?

Chemistry is the branch of science that deals with the structure, composition, properties, and reactive characteristics of matter. Matter is anything that has mass and occupies space. Chemistry is therefore the study of everything around us – the liquids we drink, the gases we breathe, the composition of everything from the plastic case of your phone to the dirt beneath your feet. Furthermore, chemistry is the study of the transformation of matter. Crude oil is transformed into more useful petroleum products, such as gasoline and kerosene, through the process of refining. Some of these products are then transformed into plastics. Raw metal ores are transformed into metals, which can then be shaped to make everything from aluminum foil to automobiles. Potential drugs are identified from natural sources, isolated, and prepared in the laboratory. Their structures are systematically modified to produce the pharmaceuticals that have led to great advances in modern medicine. Chemistry is at the heart of all these processes, and chemists are the people who study the nature of matter and learn to design, predict, and control these chemical transformations. Within the branches of chemistry, there are several apparent subdivisions. Inorganic chemistry historically focused on the minerals and metals found in the earth, while organic chemistry dealt with the carbon-containing compounds that were first identified in living things. Biochemistry is the result of the application of organic chemistry to biology and is concerned with the chemical basis of living things. In the final chapters of this text, we will explore organic chemistry and biochemistry in a little more detail, and you will notice examples of organic compounds scattered throughout the text. Today, the boundaries between the different fields have blurred considerably, and a contemporary chemist is expected to have a broad background in all of these areas.

In this chapter, we will discuss some of the properties of matter, how chemists measure these properties, and introduce some of the vocabulary used in chemistry and other physical sciences.

Let’s start with matter. Matter is defined as any substance that has mass. It is important to distinguish between weight and mass. Weight is the result of the pull of gravity on an object. On the Moon, an object will weigh less than the same object on Earth, because the gravitational pull is less on the Moon. The mass of an object, on the other hand, is an inherent property of that object and does not change regardless of location, gravitational pull, or anything else. It is a property that depends only on the amount of matter in the object.

Contemporary theories suggest that matter is composed of atoms. Atoms themselves are made up of neutrons, protons, and electrons, along with an ever-increasing number of other subatomic particles. We’ll focus on the neutron, a particle with no charge; the proton, which carries a positive charge; and the electron, which has a negative charge. Atoms are incredibly small. To give you an idea of how big an atom is, a single copper coin contains about 28,000,000,000,000,000,000,000 atoms (that’s 28 sextillion). Because atoms and subatomic particles are so small, their mass is not easily measured in pounds, ounces, grams, or any other scale we would use for larger objects. Instead, the mass of atoms and subatomic particles is measured using atomic mass units (abbreviated amu). The atomic mass unit is based on a scale that relates the masses of different types of atoms to each other (using the most common form of the element carbon as the standard). The amu scale gives us a convenient way to describe the masses of individual atoms and to make quantitative measurements about atoms and their reactions. In an atom, the neutron and proton both have a mass of one amu; the electron has a much smaller mass (about 0.0005 amu).

Atomic theory places the neutron and proton at the center of the atom, in the nucleus. In an atom, the nucleus is very small, very dense, carries a positive charge (due to the protons), and contains almost all of the mass of the atom. The electrons are placed in a diffuse cloud surrounding the nucleus. The electron cloud carries a net negative charge (due to the charge of the electrons), and in a neutral atom, there are always as many electrons in this cloud as there are protons in the nucleus (the positive charges of the nucleus are balanced by the negative charges of the electrons, making the atom neutral).

An atom is characterized by the number of neutrons, protons, and electrons it has. Today, we recognize at least 116 different types of atoms, each type having a different number of protons in its nucleus. These different types of atoms are called elements. The neutral element hydrogen (the lightest element) will always have one proton in its nucleus and one electron in the cloud surrounding the nucleus. The element helium will always have two protons in its nucleus. It is the number of protons in the nucleus of an atom that defines the identity of an element. Elements can, however, have different numbers of neutrons in their nucleus. For example, there are stable helium nuclei that contain one or two neutrons (but they both have two protons). These different types of helium atoms have different masses (3 or 4 amu) and are called isotopes. For a given isotope, the sum of the numbers of protons and neutrons in the nucleus is called the mass number. All elements exist as a collection of isotopes, and the mass of an element that we use in chemistry, the atomic mass, is the average of the masses of these isotopes. For helium, there is about one isotope of helium-3 for every million isotopes of helium-4, making the average atomic mass very close to 4 (4.002602).

As new elements were discovered and named, abbreviations of their names were developed to allow for convenient chemical abbreviation. The abbreviation for an element is called its chemical symbol. A chemical symbol consists of one or two letters, and the relationship between the symbol and the element name is usually obvious. For example, the chemical symbol for helium is He, for nitrogen is N, and for lithium is Li. Sometimes the symbol is less obvious, but it is decipherable: magnesium is Mg, strontium is Sr, and manganese is Mn. The symbols for elements known since ancient times are often based on Latin or Greek names and seem somewhat obscure compared to their modern English names. For example, copper is Cu (from cuprum), silver is Ag (from argentum), gold is Au (from aurum), and iron is (Fe from ferrum). Throughout your study of chemistry, you will use chemical symbols regularly, and it is important that you begin to learn the names and chemical symbols for common elements. By the time you have completed your general chemistry course, you will find that you are able to name and identify almost all of the 116 known elements. Table 1.1 contains a first list of common elements that you should start learning now!

Table 1.1: Chemical Names and Symbols of Common Elements

To write the atomic symbol of an element, including information about the number of protons and neutrons in a particular isotope, start with the chemical symbol of the element. Then write the atomic number (number of protons in the nucleus) as a subscript to the left of the chemical symbol, and the mass number (total protons and neutrons) as a superscript above the atomic number.

For example, for helium, whose atomic number is 2 and mass number is 4 (because there are 2 protons and 2 neutrons), the atomic symbol is

For carbon, the most common isotope is:It has a mass of 12 atomic mass units (amu). The atomic masses of the other elements are calculated relative to this isotope of carbon.

Chlorine (chemical symbol Cl) has two main isotopes: one with 18 neutrons (75.77% of the natural abundance) and one with 20 neutrons (24.23% of the natural abundance). The atomic number of chlorine is 17, so the chemical symbols for these isotopes are

To calculate the average atomic mass of chlorine, we use the natural abundances of the isotopes. We convert the percentages into fractions: 0.7577 for chlorine-35 and 0.2423 for chlorine-37. Then, we multiply each fraction by the corresponding mass number: (0.7577 × 35) = 26.51 and (0.2423 × 37) = 8.965. Adding these values together gives 35.48, which is the average atomic mass of chlorine.

Summary table:

Image générée