Chapitre 01 : Introduction à la Chimie et à la Matière PDF

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Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Les atomes : leur composition et leur structure ESSAI Dr BOUGUEROUA Mouna Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière La chimie est une branche empirique des sciences naturelles, qui s'intéresse à analyse de la composition de la matière et de ses changements évolutifs. La chimie structurale, quant à elle, se concentre sur les éléments fondamentaux. éléments qui composent la matière (tels que les atomes et les ions), leur nature inhérente caractéristiques et les connexions chimiques qu’elles peuvent établir. Une exploration préliminaire de la chimie structurale révèle que tout qui nous entourent ­ l'eau, l'air, les rochers, la végétation, notre propre corps ­ tout se manifeste comme formes de la matière. Cependant, la composition complexe de la matière nous incite à nous interroger : Qu'est­ce qui constitue réellement la matière ? Peut­on déchiffrer les diverses manifestations qu'elle suppose devant nous ? Ces questions trouveront une élucidation dans le prochain chapitres. 1. Qu'est­ce qu'une matière ? La « matière » désigne tout ce qui a une masse et occupe un espace. C'est la substance qui constitue l'univers physique, y compris toutes les substances que nous rencontrons dans notre vie quotidienne, tels que les solides, les liquides, les gaz et même des formes plus exotiques comme plasma. La matière est composée de particules fondamentales, telles que les atomes et Figure 1 : Dans la nature, la matière peut se présenter sous forme liquide, gazeuse ou plasmatique. (Image : VectorMine/Shutterstock) 1 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Molécules, qui interagissent à travers diverses forces et échanges d'énergie pour créer les divers matériaux et substances qui composent le monde qui nous entoure. Types de substances Molécule séparée Particules séparées Homogène hétérogène phase claire en grande partie (de propriétés non uniformes couleur claire) (discontinuité) Plus d'une phase principalement solution substance (opaque) substance pure composé ­Les éléments sont de la matière simple, des substances pures qui ne peuvent pas être décomposées par chimique signifie d'autres substances simples. Ceux­ci servent de blocs de construction ou unités pour tous les composés et mélanges. Il existe aujourd'hui environ 118 unités chimiques éléments, ils sont tous des substances pures dont on peut démontrer qu'elles sont constituées de combinaisons d'éléments dans des proportions définies (loi de la chimie) exemples : Cuivre (Cu), Hydrogène (H), Carbone (C), Azote (N), Sodium (Na), Chlore (Cl) et Fer (Fe) ­Les composés sont des combinaisons chimiques d'éléments, obéissant aux lois fondamentales de exemples de chimie : Eau (H2O) ­ Dioxyde de carbone (CO2) Sel de table (sodium) Chlorure (NaCl) et glucose (C6H12O6) Chaque élément ou composé doit avoir un nom 2 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Caractéristique submicroscopique de la matière, la morphologie de la matière correspond à la façons dont les atomes (éléments, molécules et composés) sont disposés de différentes manières Les structures permettant de former des états cristallins, de la matière ou des matériaux existent sous trois formes principales. morphologies états. Ordre des molécules (la plupart des solides) 1­Cristallin 2­Semi­cristallin 3­Non cristallin Exemple 1. Classez les systèmes suivants en deux catégories (substances pures ou mélanges) : H2O; Cu, eau­acétone; N2; HCl; eau­huile; limaille de fer­sucre; eau­plomb; éthanol­ eau­limaille de fer­huile. 2. Parmi les substances pures de la liste ci­dessus, indiquez celles qui sont des composés. 2. Phases ou états physiques de la matière Toute matière peut être classée selon l'un des trois états ou phases physiques, solide, liquide ou gazeux. Ces trois descriptions impliquent chacune que la matière a certaines propriétés physiques lorsqu'elles se trouvent dans ces états. Un solide a une forme définie et un volume défini. Les liquides ont généralement un volume défini, mais pas une forme ; ils prennent la forme de leurs contenants. Les gaz n'ont ni une forme définie ni forme ni volume défini, et ils se dilatent pour remplir leurs contenants. Chaque jour, nous rencontrons de la matière sous différentes phases, l'eau servant de un excellent exemple car il existe dans les trois états : glace (solide), eau (liquide) et vapeur (gaz). 3 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Figure 2 : états de l'eau En règle générale, la variation de la température d'une substance (et, moins fréquemment, de la pression exercée sur elle) peut provoquer un changement de phase, un processus physique dans lequel une la substance passe d'une phase à une autre. Les changements de phase sont identifiés par noms particuliers en fonction des phases impliquées, voici une liste des changements de phase de la matière. 1. Fusion (solide → liquide) 2. Congélation (liquide → solide) 3. Vaporisation ou évaporation (liquide → gaz) 4. Condensation (gaz → liquide) 5. Dépôt (gaz → solide) 6. Sublimation (solide → gaz) 7. Ionisation (Gaz → Plasma) 8. Déionisation ou recombinaison (plasma → gaz) 3. Aspect microscopique de la matière Les atomes sont des particules incroyablement minuscules qui peuvent être décomposées en sous­ particules par des méthodes chimiques simples. Au fil du temps, diverses théories ont été est apparu pour expliquer et conceptualiser la composition et les constituants de l'atome. Ces idées ont évolué à travers différentes périodes historiques, depuis les Égyptiens et des Grecs à l'ère islamique et enfin au XIXe siècle. Au cours de ce voyage, 4 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière de nombreuses preuves expérimentales ont été développées pour soutenir ces théories. Cependant, la première preuve expérimentale de l’existence des atomes a été recueillis en 1805 par Dalton. L'atome est décrit comme un noyau central autour dans lequel un ou plusieurs électrons se déplacent, formant le nuage électronique. 3.1.Composition de l'atome Le noyau, qui est au centre de l'atome et contient des protons et des neutrons, et le région la plus externe de l'atome, qui détient son électrons en orbite autour du noyau, comme, illustré dans la figure 3. Les atomes contiennent des protons, électrons et neutrons, entre autres éléments subatomiques particules. Figure 3 : la structure générale de l'atome. La caractérisation des protons, des neutrons et des électrons est la suivante : Tableau 1 : Caractéristiques de l'électron, du proton et du neutron Symbole de localisation Nature frais (+1) masse 1,67 × 10– Proton noyau p/p+ Charge positive (1,602 ×10–19 C) 24 g 1,67 × 10– Neutron noyau n Neutre Sans frais 24 g (– 1) Électron en orbite et et­ Charge négative (1,602 × 10–19 °C) 9,1 × 10–28 g 5 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Exemple : L'atome d'hydrogène (H) est composé de 1 proton, 0 neutron, faisant un total de 1 nucléon dans son noyau, avec 1 électron. L'atome de carbone (C) est composé de 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons. 3.2.Représentation symbolique d'un élément Les éléments sont représentés par un symbole chimique, avec le numéro atomique et numéro de masse parfois apposé comme indiqué ci­dessous. Le nombre de masse est la somme du nombre de neutrons et de protons dans le noyau. Exemple : Déterminer la composition et calculer le nombre de protons, neutrons et électrons dans chacun des atomes suivants : 1 , 11 27 35 55 1 5 , 13 , 17 , 26 Correction Réponses fournies lors des cours 3.3.Isotopes et poids atomique Isotopes : ce sont des atomes du même élément mais avec des nombres de neutrons différents. Les isotopes ont des masses et des valeurs A différentes mais sont le même élément. 6 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Le tableau ci­dessous présente des exemples d'éléments chimiques et leurs significations communes. isotopes, ainsi que l'abondance correspondante. Les isotopes se distinguent par leur nombre de neutrons, ce qui entraîne des variations de masse atomique et de propriétés physiques et propriétés chimiques. Tableau 2 : Distribution isotopique naturelle : abondance relative des isotopes et leurs masses dans Dalton Poids atomique : également connu sous le nom de masse atomique, c'est la masse moyenne de tous les isotopes naturels d'un élément. Il prend en compte la relative l'abondance de ces isotopes et est généralement exprimée en unités de masse atomique (uma). Le poids atomique est un concept crucial en chimie et en physique car il fournit une représentation plus précise de la masse d'un élément que simplement considérant un seul isotope. 7 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Le poids atomique joue un rôle important dans divers calculs impliquant des composés chimiques. réactions, stoechiométrie et compréhension du comportement des éléments dans différentes contextes. Une moyenne pondérée est définie comme : Exemple d'application 1) Calculez la masse atomique du chlore naturel si 75,77 % de les atomes de chlore sont du chlore­35 et 24,23 % des atomes de chlore sont chlore­37. 2) L'azote est composé de deux isotopes naturels : 99,63 % d'azote 14 avec une masse de 14,003 uma 0,37 % d'azote 15 avec une masse de 15,000 uma. Quelle est la masse atomique de l'azote ? Réponses fournies lors des cours 3.4. L'unité de masse atomique et de masse molaire 3.4.1. Définition de la taupe 12 et je peux maintenant La définition SI de la mole dépend également de l'isotope 6 être énoncé. Une mole est définie comme la quantité de substance d'un système qui contient autant d'entités élémentaires qu'il y a d'atomes dans exactement 0,012 kg 12 de 6 Les entités élémentaires peuvent être des atomes, des molécules, des ions, des électrons ou d'autres particules microscopiques. Cette définition de la mole donne la masse d'une mole d'un élément en grammes numériquement égale à la masse moyenne des atomes en grammes. Ce document officiel la définition de la taupe permet une détermination plus précise de la Constante d'Avogadro. 8 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière (La constante d'Avogadro, également connue sous le nom de nombre d'Avogadro (symbole : NA), est une constante physique fondamentale qui représente le nombre de particules constitutives, généralement des atomes ou des molécules, dans une mole d'une substance. Il est approximativement égal à 6,02214076 × 1023 particules par mole). 3.4.2. Définition de la masse molaire La masse molaire, également connue sous le nom de poids moléculaire ou poids de formule, est la masse de une mole d'une substance, généralement exprimée en grammes par mole (g/mol). C'est la somme des masses atomiques de tous les atomes d'une molécule ou d'une unité de formule. C'est similaire à la masse atomique, mais les unités sont g/mol au lieu des unités de masse atomique (amu). 3.5. L'unité de masse atomique (uma ou u) L'unité de masse atomique, également connue sous le nom d'unité de masse atomique (uma ou u), est une unité normalisée utilisée pour exprimer la masse des atomes et des molécules sur une base relative échelle. Elle est définie en fonction de la masse d'un isotope spécifique du carbone, le carbone 12 ( 12C), auquel on attribue une masse d'exactement 12 unités de masse atomique (u). 1 1 = 1 12 Étant donné qu'une mole d'atome de carbone a une masse de 12 g Et 1 mole d'atomes = 6,022 × 1023 1 12 1 1uma = 12 ( ) ( 6,022 × 1023) = 1,66 × 1024 = 1,66 × 1027 Remarque : La masse atomique du 12C est de 12 unités de masse atomique (uma) et la la masse molaire de 12C est de 12 g/mol (même valeur). On peut généraliser cela ! Si un élément a une : Masse molaire de MM g/mol → Masse atomique de MM euh 9 Machine Translated by Google Chapitre 01 : introduction à la chimie et à la matière Exemple: Azote (N) : Poids atomique ≈ 14,007 u = Masse molaire ≈ 14,007 g/mol Sodium (Na) : Poids atomique ≈ 22,99 u = Masse molaire ≈ 22,99 g/mol Fer (Fe) : Poids atomique ≈ 55,85 u = Masse molaire ≈ 55,85 g/mol Cuivre (Cu) : Poids atomique ≈ 63,55 u = Masse molaire ≈ 63,55 g/mol Or (Au) : Poids atomique ≈ 196,97 u= Masse molaire ≈ 196,97 g/mol 10