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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:
