Des atomes aux molécules
La matière vue de très près : les atomes
Reprenons le zoom là où le chapitre de 5ᵉ l'avait laissé. Si tu pouvais grossir une goutte d'eau des millions de fois, tu finirais par voir qu'elle n'est pas un milieu continu : elle est faite de grains séparés. En continuant à grossir un de ces grains, tu découvrirais qu'il est lui-même composé de briques encore plus petites. Ces briques élémentaires, on ne peut plus les couper en morceaux qui resteraient de la même substance : ce sont les atomes.
Un atome est la plus petite brique constituant la matière. Toute la matière de l'Univers est faite d'atomes, en nombre immense et de quelques types seulement.
Un atome est inimaginablement petit. Sa taille est de l'ordre du dixième de milliardième de mètre (0,000 000 000 1 m). Pour te donner une idée : dans une seule goutte d'eau, il y a plus d'atomes que de grains de sable sur toutes les plages du Maroc réunies. Cette petitesse explique pourquoi, en 5ᵉ, la matière paraissait continue : nos yeux sont bien trop grossiers pour distinguer les atomes.
L'atome est la brique de base de la matière. Il est extrêmement petit (environ un dixième de milliardième de mètre) et la matière en contient un nombre colossal.
Une centaine de types d'atomes seulement
Voici le fait le plus beau de la chimie : toute la diversité du monde — l'eau, l'air, le fer, le bois, ton corps, les étoiles — est construite avec à peine plus d'une centaine de types d'atomes différents. Comme un alphabet d'une centaine de lettres permet d'écrire tous les livres, une centaine de types d'atomes permet de construire toutes les substances. Ces types d'atomes sont classés dans un tableau célèbre, le tableau périodique des éléments, que tu manipuleras en détail au lycée.
Il n'existe qu'une centaine de types d'atomes différents. Toute la matière n'est qu'une combinaison de ces quelques briques.
Nommer et représenter les atomes : les symboles
Comme il existe une centaine de types d'atomes, les chimistes du monde entier ont adopté une notation commune pour ne pas avoir à écrire les noms en entier. Chaque type d'atome possède un symbole chimique : une ou deux lettres, valables dans toutes les langues.
Le symbole chimique d'un atome est son abréviation universelle. Il s'écrit avec une majuscule, parfois suivie d'une minuscule. La première lettre est toujours une majuscule, la seconde toujours une minuscule.
Voici les atomes que tu dois absolument connaître au collège :
| Nom de l'atome | Symbole |
|---|---|
| Hydrogène | H |
| Carbone | C |
| Azote | N |
| Oxygène | O |
| Fer | Fe |
| Cuivre | Cu |
| Sodium | Na |
| Chlore | Cl |
Le piège de la majuscule
La règle « une majuscule, puis éventuellement une minuscule » n'est pas une coquetterie : elle change le sens. Co désigne un atome de cobalt, mais CO (deux majuscules) désigne une molécule faite d'un atome de carbone (C) et d'un atome d'oxygène (O). Écrire « co » ou « CO » à la place de « Co » est une vraie faute de chimie, pas une faute d'orthographe.
Un symbole = une majuscule, suivie au plus d'une minuscule. Respecter la casse est obligatoire : Cl (chlore) n'est pas CL ni cl.
Les molécules : des atomes assemblés
Les atomes restent rarement seuls. La plupart du temps, ils se lient entre eux pour former des assemblages stables : les molécules. C'est exactement ce qui se cachait derrière le mot « particule » de la 5ᵉ. Quand on disait « les particules d'eau », on parlait en réalité des molécules d'eau.
Une molécule est un assemblage de plusieurs atomes liés entre eux. C'est la plus petite quantité d'une substance qui en conserve toutes les propriétés.
Quelques molécules à connaître :
- La molécule d'eau est faite de 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène.
- La molécule de dioxygène (le gaz que tu respires) est faite de 2 atomes d'oxygène.
- La molécule de dioxyde de carbone (celui que tu expires) est faite de 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène.
Les atomes ne se créent pas, ils se réarrangent
Un point capital, qui te servira dans tous les chapitres de chimie à venir : lors d'un changement, les atomes ne disparaissent pas et n'apparaissent pas. Quand l'eau s'évapore, les molécules d'eau s'éloignent les unes des autres mais restent des molécules d'eau intactes : c'est une transformation physique. Tu verras au chapitre suivant qu'une transformation chimique, elle, casse et reforme les liaisons entre atomes — mais même là, les atomes eux-mêmes sont conservés. C'est cette idée qui mènera, deux chapitres plus loin, à la conservation de la masse.
Une molécule est un groupe d'atomes liés. Les atomes se réarrangent mais ne se créent ni ne se détruisent jamais.
Lire et écrire une formule chimique
Plutôt que d'écrire « 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène », les chimistes utilisent une écriture condensée : la formule chimique. Pour l'eau, c'est le célèbre H₂O (souvent écrit H2O).
La formule chimique d'une molécule indique, à l'aide des symboles des atomes, quels atomes la composent et combien de chaque. Le nombre d'atomes d'un type est écrit en indice, juste après le symbole. Quand il n'y a qu'un seul atome, on n'écrit pas le chiffre 1.
Exemple 1. La formule de l'eau est H₂O. L'indice 2 après le H signifie « 2 atomes d'hydrogène » ; l'absence de chiffre après le O signifie « 1 atome d'oxygène ». Total : 3 atomes dans une molécule d'eau.
Exemple 2. La formule du dioxyde de carbone est CO₂ : 1 atome de carbone, 2 atomes d'oxygène. Total : 3 atomes.
Exemple 3. La formule du dioxygène est O₂ : 2 atomes d'oxygène, et rien d'autre.
Le piège de l'indice et du grand nombre devant
Attention à deux écritures qui se ressemblent mais ne disent pas la même chose. Dans H₂O, le 2 est un indice : il compte les atomes d'hydrogène à l'intérieur d'une molécule. Mais quand on écrit 3 H₂O, le grand 3 placé devant compte des molécules entières : cela veut dire « 3 molécules d'eau ». Le chiffre devant multiplie toute la molécule ; l'indice ne concerne que l'atome qui le précède.
Indice (petit, en bas, après un symbole) = nombre d'atomes de ce type dans la molécule. Grand nombre devant = nombre de molécules.
Corps purs et mélanges, à l'échelle des molécules
Le modèle des molécules permet enfin de comprendre, au niveau microscopique, la différence entre un corps pur et un mélange que tu avais rencontrée en 5ᵉ avec les mélanges.
Un corps pur est constitué d'un seul type de molécules (ou d'un seul type d'atomes). Un mélange contient plusieurs types de molécules différentes.
L'eau distillée est un corps pur : elle ne contient que des molécules H₂O. L'air, lui, est un mélange : il contient surtout des molécules de diazote (N₂) et de dioxygène (O₂). On distingue de plus :
- un corps simple, dont les molécules ne sont faites que d'un seul type d'atome (exemple : le dioxygène O₂, fait uniquement d'oxygène) ;
- un corps composé, dont les molécules contiennent plusieurs types d'atomes (exemple : l'eau H₂O, faite d'hydrogène et d'oxygène).
Corps pur = un seul type de molécules. Corps simple = molécules à un seul type d'atomes ; corps composé = molécules à plusieurs types d'atomes.
Pièges classiques
Piège 1 : confondre atome et molécule. Un atome est une brique unique ; une molécule est un assemblage de briques. O est un atome d'oxygène, O₂ est une molécule de dioxygène. Dire « un atome d'eau » n'a aucun sens : l'eau est une molécule (H₂O), faite de trois atomes.
Piège 2 : négliger la casse d'un symbole.
La première lettre est toujours majuscule, la seconde toujours minuscule. Co (cobalt) ≠ CO (molécule carbone + oxygène) ≠ co (rien du tout). Respecter la casse fait partie de la réponse.
Piège 3 : confondre l'indice et le coefficient devant. Dans H₂O, le 2 compte les atomes d'hydrogène d'une molécule. Dans 2 H₂O, le 2 devant compte les molécules. Petit chiffre en indice ≠ grand chiffre devant.
Piège 4 : oublier le 1 implicite. Dans H₂O, il n'y a pas de chiffre après le O parce qu'un indice 1 ne s'écrit jamais. « Pas de chiffre » veut dire « un seul atome », pas « zéro atome ».
Piège 5 : croire que les atomes peuvent disparaître. Lors de n'importe quel changement, les atomes sont conservés : ils se réarrangent, mais aucun ne se crée ni ne s'efface. C'est le socle de la conservation de la masse que tu verras bientôt.
Piège 6 : croire qu'invisible veut dire inexistant. On ne voit pas les atomes ni les molécules, même au microscope ordinaire. Cela ne les rend pas hypothétiques : ce modèle explique et prédit le comportement de la matière avec une précision spectaculaire.
Application concrète
Karim affirme à Yasmine : « L'eau, le gaz que je respire et celui que j'expire, c'est au fond la même chose, puisque c'est tout du vent et de l'humidité. » Yasmine n'est pas convaincue. Utilisons les molécules pour trancher.
Étape 1 — Décrire chaque substance par sa molécule.
L'eau est faite de molécules H₂O (2 hydrogènes, 1 oxygène). Le gaz vital qu'on respire est le dioxygène O₂ (2 oxygènes). Le gaz qu'on expire est principalement du dioxyde de carbone CO₂ (1 carbone, 2 oxygènes). Trois formules différentes : ce ne sont donc pas les mêmes substances. Karim a tort.
Étape 2 — Compter les atomes.
Une molécule d'eau contient 3 atomes (H, H, O). Une molécule de dioxygène en contient 2 (O, O). Une molécule de dioxyde de carbone en contient 3 (C, O, O). Même nombre d'atomes pour l'eau et le CO₂, et pourtant des substances radicalement différentes : ce qui compte, ce n'est pas seulement combien d'atomes, mais lesquels et comment ils sont assemblés.
Étape 3 — Classer corps simple ou composé.
Le dioxygène O₂ est un corps simple : ses molécules ne contiennent qu'un seul type d'atome (l'oxygène). L'eau H₂O et le dioxyde de carbone CO₂ sont des corps composés : leurs molécules mélangent plusieurs types d'atomes.
Étape 4 — Relier à la respiration.
Quand Karim respire, son corps consomme du dioxygène (O₂) et rejette du dioxyde de carbone (CO₂). Les atomes d'oxygène, eux, ne disparaissent pas : ils passent simplement de molécules O₂ à des molécules CO₂, en se réarrangeant avec du carbone. C'est un avant-goût de la transformation chimique du chapitre suivant.
Conclusion.
Trois formules, trois substances : les molécules permettent de distinguer sans ambiguïté ce que l'œil confond. Cette grammaire des atomes et des molécules est l'outil que tu vas réutiliser dans Transformations physiques et chimiques, puis tout au long de la chimie, jusqu'aux équations de réaction du lycée.
À retenir
Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.
Toute la matière est faite d'atomes, les plus petites briques de la matière, extrêmement petits et présents en nombre immense. Il n'existe qu'une centaine de types d'atomes.
Chaque atome a un symbole : une majuscule, suivie au plus d'une minuscule (H, O, C, N, Fe, Cu, Na, Cl). La casse fait partie du symbole.
Une molécule est un assemblage d'atomes liés. Sa formule chimique indique quels atomes la composent et combien : l'indice (en bas, après un symbole) compte les atomes d'un type dans la molécule ; un indice 1 ne s'écrit pas.
Un grand nombre devant une formule compte des molécules entières (2 H₂O = 2 molécules d'eau), à ne pas confondre avec l'indice.
Un corps pur ne contient qu'un seul type de molécules. Un corps simple a des molécules à un seul type d'atomes (O₂) ; un corps composé, plusieurs types (H₂O, CO₂). Dans tout changement, les atomes se réarrangent mais sont conservés.