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Chapitre 1 :Atome, ions et molécules

GCI 190 - ChimieHiver 2011

© Hubert Cabana, 2011

Contenu

1. La matière

2. Structure de l’atome

3. Molécules et ions

4. Formulation chimique

5. Masse atomique et moléculaire


Lectures recommandées

� Chimie générale� Chapitre 1� Chapitre 2


Objectifs

� Se familiariser avec la classification de la matière;

� Comprendre la théorie atomique moderne;

� Comprendre la structure atomique;

� Différencier un atome, une molécule et un ion;

� Comprendre le tableau périodique des éléments chimiques et être en mesure de l’utiliser;

� Être en mesure de nommer des composés chimiques simples et complexes.


La matière : Substances? Éléments? Composés?

� Substance pure: matière qui a une composition fixe et des propriétés qui lui sont propres (ex. éléments et composés).

� Élément: substance pure qui ne peut être décomposée en substance plus simple par des procédés chimiques ordinaires (110 éléments; voir tableau périodique).

Composé: deux ou plusieurs éléments unit chimiquement � Composé: deux ou plusieurs éléments unit chimiquement dans des proportions définies; les propriétés d’un composé diffèrent des éléments constituants.

� Mélange: combinaison de deux ou plusieurs substances; les propriétés d’un mélange ne diffèrent pas de leurs constituants. homogène→→→→ uniforme; hétérogène→→→→ non uniforme


Substances? Éléments? Composés?


Les états de la matière


La base de la matière : l’atome


Structure de l’atome

� Origine de la matière � Big bang (± 13 -14 milliards d’années)

• Condensation de la matière élémentaires• Formation des protons, des électrons• Formation des protons, des électronset des neutrons;



� Proton :� Charge: +1� Masse :

1.672*10-24 gCharge

� Électron :� Charge : -1� Masse :

9.108*10-28 gCharge

� Neutron :� Charge : 0� Masse :

1.675*10-24 gCharge � Charge

électrique : +1.602*10-19 C


� Charge électrique : -1.602*10-19 C

� Charge électrique : 0 C


� ± 400 000 ans après le Big bang

� Diminution de la température (et de l’énergie cinétique

des particules)

• Attraction des protons et des électrons• Attraction des protons et des électrons


atome d’hydrogène



Malone, L.J. et Dolter, T.O. (2010)


� Les atomes présents dans ces nuages soumis à de fortes pressions et températures

� Perte des électrons périphériques� Perte des électrons périphériques� Répulsion entre les noyaux de même charge (+)


� La température et la pression élevées ont permis ont éléments de se rapprocher infinitésimalement



� Fusion des éléments présents



� Génération des éléments plus complexes



� Les propriétés intrinsèques des atomes dépendent de leur constitution atomique (nombre de proton, d’électron et de neutron);

� Chaque atome a des propriétés différentes des autres éléments



� Théorie atomique de Dalton :� un élément est composé de petites particules semblables

et indivisibles, les atomes;� les atomes d’un élément à un autre diffèrent;

John Dalton (1766-1844)

� les atomes d’un élément à un autre diffèrent;� les atomes ne peuvent être créés, transformés ou

détruits;� les composés se forment dans des rapports simples;

� dans un composé, le rapport entre les atomes de différents éléments demeure constant.



John Dalton (1766-1844)


Chang et Papillon, 2009


� Modèle atomique� 1897 - J.J. Thompson a identifié l’électron

• Particule chargée• Commune à l’ensemble des éléments• Nature « électrique » de la matière

Sir Joseph John Thompson

(1856-1940)

• Nature « électrique » de la matière• Forces électrostatiques

� Modèle Plum pudding

� Particules négatives� Réparties dans un environnement positif.


Structure de l’atome : l’électron




� Modèle atomique� Présence de noyaux solides dans les atomes;� Entourés d’électrons

Ernest Rutherford


Ernest Rutherford (1871 – 1937)


Ernest Rutherford


Ernest Rutherford (1871 – 1937)


Représentation des éléments, le numéro atomique, le nombre de masse et les isotopes


Représentation symbolique des atomes

� Tous les éléments sont représenté par un symbole alphabétique;� Les premières lettres (en anglais, latin ou allemand) du

nom du composé


Cuivre = Cu

Carbone = C

Baryum = Ba

Argent = AgBismuth = Bi

Uranium = U

Numéro atomique, nombre de masse et les isotopes

� Tous les atomes peuvent être identifiés par le nombre de protons et de neutrons qu’ils contiennent

� Numéro atomique (Z) : nombre de proton(s) dans le noyau atomique

� Nombre de masse (A) : nombre de proton(s) + neutron(s)



Li7

Numéro de masse (A) : Protons + neutrons


Li7

3

Numéro atomique (Z) : Nombre de protons


� À l’état naturel, la majorité des éléments existent sous forme d’isotopes

� Deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même � Deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons mais un nombre de neutrons différent



H1

H2

H3


H1

Protium (99.9885%)

H1

Deutérium(0.0115%)

H1

Tritium(traces)

Classification des atomes : le tableau périodique© Hubert Cabana, 2011

Le tableau périodique : une classification des éléments

� Classification des éléments� métaux qui sont de bons conducteurs de la chaleur et de

l’électricité, qui sont malléables et ductiles;

� non-métaux qui sont de mauvais conducteurs



� Classification des éléments� métalloïdes qui possèdent des propriétés intermédiaires

• bore (5B)• silicium ( Si)• silicium (14Si)• germanium (32Ge)• arsenic (33As) • antimoine (51Sb)• tellure (52Te) • polonium (84Po)



� À l’intérieur de ces classes, il y a des éléments qui partagent des propriétés communes

� Le Cu, l’Ag et l’Au sont difficilement oxydables;� Le Cu, l’Ag et l’Au sont difficilement oxydables;� Le Li, le Na et le K réagissent spontanément avec l’eau;� L’He, le Ne et l’Ar sont des gaz qui sont inertes.



� La dépendance entre les propriétés des masses atomiques des éléments (1869) :

� Les éléments, lorsqu'ils sont disposés selon leur masse atomique, montrent une périodicité apparente de leurs propriétés;

� Les éléments qui sont semblables en ce qui concerne leurs propriétés chimiques ont des poids atomiques qui sont relativement de la même valeur (ex : Pt, Ir, Os) ou qui augmentent régulièrement (ex : K, Rb, Cs).

Dmitri Mendeleïev(1834 – 1907)

� L'arrangement des éléments, ou des groupes d'éléments dans l'ordre de leurs poids atomiques, correspond à leurs prétendues valences, aussi bien que, dans une certaine mesure, à leurs propriétés chimiques distinctives.

� Nous devons nous attendre à la découverte de nombreux éléments jusqu'ici inconnus. Par exemple des éléments analogues à l'aluminium et au silicium dont la masse atomique serait comprise entre 65 et 75.

� La masse atomique d'un élément peut parfois être modifiée par une connaissance de la masse de ses éléments contigus. Ainsi, le poids atomique du tellure doit se trouver entre 123 et 126, et ne peut pas être 128.

� Certaines propriétés caractéristiques des éléments peuvent être prévues à partir de leur masse atomique.



� Le concept de périodicité élaboré par Mendeleïev a évolué vers la loi de périodicité qui stipule que :

« Les propriétés des éléments sont des

� Les propriétés des éléments sont fonctions du nombre de protons et d’électrons des atomes


« Les propriétés des éléments sont des fonctions périodiques de leur nombre

atomique (Z) »


� On classifie aussi les éléments selon leur configuration électronique où les éléments dits représentatifs appartiennent aux groupes A alors que les éléments de transition appartiennent aux groupes B. groupes B.

� Certains groupes ont aussi reçu une appellation particulière, notamment:� le groupe IA, métaux alcalins;

� le groupe IIA, métaux alcalino-terreux;

� le groupe VIIA, halogènes;

� le groupe VIIIA, gaz rares ou inertes.



IA IIA IIIB IVB VB VIB VIIB VIIIB IB IIB IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA

Pér

iode

s

1 1HLA CLASSIFICATION PERIODIQUE

2He

2 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne

311Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar

4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr419K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr


Famille des alcalins

Famille des alcalino-terreux

Famille des halogènes

Famille des gaz rares ou inertes

Molécules

� Une molécule est un assemblage d’au moins 2 atomes maintenus ensembles, dans un arrangement déterminé, par des forces chimiques.

� Les molécules sont électriquement neutres.


Éthanol (C2H5OH) Dihydrogène (H2)

Ions

� Un ion est un atome ou une molécule qui a soit gagné ou perdu un ou plusieurs électrons, le nombre de protons demeurant fixe.

� Un ion de charge positive est appelé cation,� alors qu’un ion de charge négative est un anion.


Ions


Malone et Dolter, 2010

Ions

� Exemples de cations et d’anions

Nom FormuleCations métalliques

Aluminium (III) Al3+

Argent Ag+

Nom FormuleAnions

monoatomiquesBromure Br−

Chlorure Cl−

Fluorure F−

Autres cations

Ammonium NH4+

Nitronium NO2+

Nom Formule

Anions issus d'acides organiques

Acétate CH3CO2−

Formiate HCO2−


Argent AgBaryum Ba2+

Calcium Ca2+

Chrome (II) Cr2+

Chrome (III) Cr3+

Cobalt (II) Co2+

Cobalt (III) Co3+

Cuivre (I) Cu+

Cuivre (II) Cu2+

Étain (II) Sn2+

Étain (IV) Sn4+

Fer (II) Fe2+

Fer (III) Fe3+

Fluorure F−

Hydrure H−

Iodure I−

Nitrure N3−

Oxyde O2−

Sulfure S2−

Oxoniumou hydronium H3O+

Hydrogène H+

Pyridinium C5H5NH+

Formiate HCO2−

Autres AnionsAluminate Al(OH)3

−

Amidure NH2−

Cyanate OCN−

Cyanure CN−

Diphosphate P2O74-

Hydrogénosulfure HS−

Hydroxyde OH−

Permanganate MnO4−

Bicarbonate HCO3-

Carbonate CO32-

Formulation chimique

� Les formules chimiques servent à identifier la composition et le rapport de chacun des éléments d’une substance.

� Utilisation de symboles chimiques� Éléments présents� Rapports entre ces éléments


C2H5C4H10 CaCO3


� Une formule empirique ne tient compte que du rapport du nombre d’atomes constituant la molécule réduisant la formule à sa forme la plus simple.


C2H5


� Une formule moléculaire indique non seulement les éléments présents mais aussi le nombre exacte d’atomes formant la molécule.


C2H5 C4H10

C8H20


� Les composés ioniques s’unissent dans les rapports les plus simples et sont donc toujours donnés par des formules empiriques.


Ag2CO3 BaCO3

Représentation moléculaire

© Hubert Cabana, 2011 Chang et Papillon, 2002

Nomenclature

� Composés organiques� Essentiellement des composés formés de C, H, O et N;

� Composés inorganiques (chimie minérale)


Nomenclature –Composés inorganiques

� Composés binaires ionique� On nomme d’abord l’anion en ajoutant à la racine la

terminaison -ure suivi du cation, exception faite de l’anion oxygène qui ne s’appelle pas oxure mais oxyde.

� Pour les métaux pouvant former plusieurs type de cations (ex : Fe2+, Fe3+), on fait suivre le nom du métal d’un chiffre romain indiquant le nombre de charges positives.

� Pour les ions polyatomiques qui se comportent comme des ions simples, leurs composés seront nommés comme tels.



Cations� Aluminium (Al3+)� Ammonium (NH4

+)� Argent (Ag+)� Baryum (Ba2+)� Cadmium (Cd2+)� Calcium (Ca2+)� Césium (Cs+)� Chrome (III) (Cr3+)� Cobalt (II) (Co2+)

Anions� Bromure (Br-)� Bicarbonate (HCO3

-)� Carbonate (CO3

2-)� Chlorate (ClO3

-)� Chlorure (Cl-)� Chromate (CrO4

2-)� Cyanure (CN-)� Dichromate (Cr2O7

2-)� Dihydrogénophosphate (H2PO4

-)� Fluorure (F-)

� Cobalt (II) (Co2+)� Cuivre (I) (Cu+)� Cuivre (II) (Cu2+)� Étain(II) (Sn2+)� Fer (II) (Fe2+)� Fer (III) (Fe3+)� Hydrogène (H+)� Lithium (Li+)� Magnésium (Mg2+)� Manganèse (II) (Mn2+)� Plomb (II) (Pb2+)� Potassium (K+)� Sodium (Na+)� Strontium (Sr2+)� Zinc (Zn2+)

� Fluorure (F )� Hydrogénocarbonate (HCO3

-)� Hydrogénophosphate (HPO4

2-)� Hydrogénosulfate (HSO4

-)� Hydroxyde (OH-)� Hydrure (H-)� Iodure (I-)� Nitrate (NO3

-)� Nitrite (NO2

-)� Nitrure (N3-)� Oxyde (O2

-)� Permanganate (MnO4

-)� Peroxyde (O2

2-)� Phosphate (PO4

3-)� Sulfate (SO4

2-)� Sulfite (SO3

2-)� Sulfure (S2-)� Thiocyanate (SCN-)



� Composés binaires covalents (2 éléments non métalliques)

� Tout comme les composés ioniques, on nomme d’abord � Tout comme les composés ioniques, on nomme d’abord le deuxième élément de la formule en ajoutant à la racine la terminaison -ure suivi du premier élément. De même, l’oxygène qui ne s’appelle pas oxure mais oxyde.

� Utilisation des préfixes di-, tri-, tétra-, penta-, hexa-, hepta-, etc. lorsqu’il y a plusieurs atomes.


Nomenclature –Acides

� Acides (H + élément non métallique)� On remplace le suffixe -ure par le suffixe -hydrique à

l’anion qui accompagne l’hydrogène précédé du nom acide;

� Pour les oxacides (combinaison d’une molécule d’eau), on utilise la racine du nom de l’anion suivie de la terminaison -ique le tout précédé du mot acide. • Si le nombre d’atomes d’oxygène de l’oxacide en -ique diffèrent de

-1, la terminaison devient -eux; de -2, la terminaison devient -eux accompagné d’un préfixe hypo-; de +1, on ajoute le préfixe per-.


Nomenclature –Acides

� Pour les anions des oxacides, � lorsque tous les H sont retirés de la forme -ique, la

terminaison de l’anion prend la forme -ate; � lorsque tous les H sont retirés de la forme -eux, la

terminaison de l’anion prend la forme -ite;terminaison de l’anion prend la forme -ite;

� Pour les anions où tous les H n’ont pas tous été retranchés; le préfixe doit indiquer le nombre d’hydrogènes présents.


Nomenclature –bases

� Bases (libère des anions OH- en solution aqueuse)

� Le mot hydroxyde précède le nom du cation si l’ion � Le mot hydroxyde précède le nom du cation si l’ion hydroxyde est en évidence dans la formule


Quelques propriétés des atomes


Masse atomique et moléculaire

� La masse atomique est la masse relative des atomes, rapportées à l’isotope du carbone 12 fixé à 12,0000 uma.

• La masse atomique moyenne


• La masse atomique moyennereprésente la masse moyenne tenant compte du pourcentage relatif de chacun des isotopes de l’élément. Les différents tableaux périodiques présentent en général cette valeur.

La mole

� En pratique, nous travaillons avec des « échantillons » d’éléments qui contiennent une grande quantité d’atomes ou de molécules;

� Une mole est donnée par la quantité d’atomes contenue dans 12g de carbone 12 qui a été déterminé par Avogadro comme étant 6,022045x1023 atomes/mol


Amedeo Avogadro(1776-1856)

La masse molaire (Mw)

� Nous avons vu que 1 mole de carbone a exactement une masse de 12 g. Il s’agit de sa masse molaire.

� La M est la masse d’une mole d’entités � La Mw est la masse d’une mole d’entités élémentaire (atomes ou molécules) d’une substance� Pour les atomes, la Mw est égale à la masse atomique

de ces derniers;� Pour les molécules, il faut faire la somme des masses

atomiques des atomes les constituants pour déterminer leur Mw.


La masse molaire (Mw)

1 atome de Cl35.45 uma

1 mole de Cl


1 mole de Cl35.45 g

1 molécule de Cl270.90 uma

1 mole de Cl270.90 g

Un mole de….

Carbone (C) Soufre (S)


Cuivre (Cu) Fer (Fe)

Mercure (Hg)

En résumé…


En résumé…

� La matière est constituée de l’unité de base qu’est l’atome;

� Différents modèles et théories ont permis de � Différents modèles et théories ont permis de décrire l’atome;

� Un atome est constitué d’un noyau central composé de neutrons et de protons et d’électrons circulant à une grande distance p/r au noyau;


En résumé…

� Les particules fondamentales que sont les protons (+) et les électrons (-) participent aux réactions chimiques.

� La masse de l’atome est due aux protons et aux � La masse de l’atome est due aux protons et aux neutrons. Le volume de l’atome est dû à la présence des électrons;

� Les atomes sont électro-neutres. Ils sont caractérisés par leur nombre atomique et leur nombre de masse;


En résumé…

� La matière est représenté par des formules chimiques;

� Molécules ioniques et covalentes;� Molécules ioniques et covalentes;

� Les composés chimiques sont nommés à partir de leur composition, de leur structure chimique;


En résumé…

� 1 mole correspond à 6.022*1023 éléments (atomes, molécules, etc.)

� Chaque élément a une masse molaire qui lui est � Chaque élément a une masse molaire qui lui est propre.


Lectures recommandées

� Chang et Papillon (2009)� Chapitres 1 et 2� Chapitre 3 : pp. 84 @ 94


Exercices suggérés

� Pour le prochain cours : site web Chapitre 1

� Chang et Papillon (2009) (supplémentaires)

� Chapitre 2 : 2-7, 2-10, 2-116, 2-31, 2-37, 2-48, 2-49;� Chapitre 3 : 3-5, 3-13, 3-17, 3-24, 3-27;


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