La matière : atome, ion, molécule
A) L’atome
a) Définition et structure
Un atome est une entité chimique électriquement neutre. Il est constitué d’un noyau et d’un nuage électronique (dans lequel gravitent les électrons).
Remarques
La masse de l’atome est sensiblement celle du noyau.
L’atome est essentiellement constitué de vide.
Les particules constituant le noyau sont appelées nucléons. Leur nombre est symbolisé par la lettre A. Elles sont de deux sortes :
les protons, de charge positive, dont le nombre est symbolisé par la lettre Z ;
les neutrons, électriquement neutres, dont le nombre est A – Z.
Les électrons du nuage électronique ont quant à eux une charge négative. Il y a autant d’électrons que de protons (soit Z), c’est pourquoi l’atome est électriquement neutre.
Les électrons sont répartis sur différentes couches désignées par les lettres K, L, M, etc. :
il y a (2 × 12) soit 2 électrons au maximum sur la couche K ;
il y a (2 × 22) soit 8 électrons au maximum sur la couche L ;
il y a (2 × 32) soit 8 électrons au maximum sur la couche M ;
etc.
b) Ordres de grandeur
Les ordres de grandeur sont :
10–10 m environ pour le diamètre d’un atome ;
10–15 m environ pour le diamètre d’un noyau, ce qui signifie qu’il est 100 000 fois plus petit que l’atome.
La masse du proton est à peu près égale à celle du neutron et vaut environ 1 800 fois la masse de l’électron
c) Notation
Le symbole d’un atome est une lettre majuscule éventuellement suivie d’une lettre minuscule.
Exemples
C est le symbole de l’atome de carbone, O celui de l’atome d’oxygène et Li celui de l’atome de lithium.
La notation d’un noyau est complétée par l’indication du nombre de nucléons A (protons + neutrons) en haut à gauche et du numéro atomique Z (nombre de protons) en bas à gauche.
Exemples
; ; .
B) L’ion
Un ion est un atome ou un groupe d’atomes qui a perdu ou gagné un ou plusieurs électrons :
si un atome perd des électrons (nombre de protons supérieur au nombre d’électrons), il devient un ion positif, appelé cation ;
à l’inverse, s’il gagne des électrons (nombre d’électrons supérieur au nombre de protons), il devient un ion négatif, appelé anion.
C) La molécule
Une molécule est un groupement fini d’atomes liés par des liaisons covalentes. Elle est électriquement neutre.
Définition
Une liaison covalente est une liaison entre deux atomes résultant de la mise en commun d’électrons d’une de leurs couches externes.
Le tableau suivant donne quelques exemples de molécules.
Les tests d'identification en chimie
A) Les molécules
On peut identifier certaines molécules telles que :
l’eau (H2O) : le sulfate de cuivre anhydre (solide blanc) devient bleu en sa présence ;
le dioxyde de carbone (CO2) : l’eau de chaux se trouble en sa présence.
B) Les ions
a) Identification par réactifs
Pour identifier les ions présents dans une solution, on ajoute à la solution quelques gouttes du réactif correspondant à l’ion recherché et on regarde s’il y a formation d’un précipité. Si c’est le cas, c’est que l’ion correspondant était probablement dans la solution.
Le tableau suivant donne quelques exemples de réactifs permettant d’identifier des ions.
b) Identification par test de flamme
On peut aussi identifier la présence d’ions dans une solution en présentant à la flamme un fil de platine préalablement trempé dans cette solution : la flamme change alors de couleur. Le tableau suivant donne des exemples de couleur de flamme obtenue en fonction de l’ion.
La verrerie de laboratoire
Il est impératif de connaître la verrerie utilisée en laboratoire.
La verrerie de stockage
Verre à pied
Flacon
Tubes à essais
Ballon
Bécher
Cristallisoir
Erlenmeyer
La verrerie de prélèvement
Fiole jaugée
Éprouvette graduée
Burette
Pipette
Pipette jaugée (2 traits ou 1 trait)
Divers
Pissette
Coupelle
Spatule
Propipette
Le pH
A) Définition
Le pH (potentiel hydrogène) permet d’évaluer la concentration de l’ion oxonium (H3O+ ou H+) dans une solution aqueuse.
La valeur du pH est un nombre sans unité compris entre 0 et 14.
À une température de 25 °C, le pH d’une solution neutre est égal à 7,0.
À savoir
pH < 7 : la solution est acide.
pH = 7 : la solution est neutre.
pH > 7 : la solution est basique.
B) Mesure
Pour mesurer le pH d’une solution, on peut utiliser, du plus précis au moins précis : un pHmètre, du papier pH ou des indicateurs colorés.
La dissolution et la dilution
A) La dissolution
On réalise une dissolution lorsqu’on place un solide, liquide ou gaz (soluté) dans un liquide en grande quantité (solvant) et qu’on obtient un mélange homogène. Ce mélange est une solution.
La concentration massique d’un soluté en solution est la masse de soluté par litre de solution.
Pour un soluté A, la concentration massique cA est le rapport de la masse mA du soluté au volume total V de solution :
Application
On dissout 5 g de sulfate de cuivre dans 400 mL d’eau.
Calculer la concentration massique du sulfate de cuivre.
Solution
On a : m = 5g et V= 400 mL. On convertit en litre le volume d’eau : V = 0,4 L.
On peut donc écrire : cm = = 12,5 g.L–1.
La concentration massique du sulfate de cuivre est de 12,5 g.L–1.
B) La dilution
Une dilution consiste à ajouter une quantité supplémentaire de solvant dans une solution, dans le but de diminuer la concentration des solutés.
À savoir
Lors d’une dilution :
– le pH d’une solution acide augmente (mais reste inférieur à 7) ;
– le pH d’une solution basique baisse (mais reste supérieur à 7).
On appelle « solution mère » la solution de départ et « solution fille » la solution obtenue après dilution.
La concentration massique et le volume d’une solution mère A et d’une solution fille B sont liés par la relation : cA × VA = cB × VB.
Exemple
Dilutions au dixième (1/10) et au cinquième (1/5)
Remarque
La concentration massique et le volume de la solution mère peuvent aussi être notés cm et Vm ; ceux la solution fille seront alors notés cf et Vf.
