Chapitre IV.1 Chimie générale
Notions de base en chimie 1°) Les éléments chimiques
Ce sont les corps simples constitués d’un seul élément (ils sont monoatomiques), par exemple : le carbone pur ( diamant, graphite ) et les corps composés constitués de différents éléments, par exemple : le dioxyde de carbone.
Ils sont représentés par un symbole :
H : hydrogène; O : oxygène; C : carbone.
2°) Structure de l’atome
L’atome est formé d’un noyau chargé positivement autour duquel des électrons chargés négativement sont en mouvement rapide.
Le noyau atomique est formé de nucléons, ceux-ci sont constitués de protons ( particules chargées positivement) et de neutrons ( particules électriquement neutres).
La masse d’un proton = la masse d’un neutron = 1,67.10-27 kg.
La masse d’un électron = 9,1.10-31 kg.
3°) Nombre de charge, nombre de masse
Le noyau d’un atome est caractérisé par un nombre de charge noté Z ( numéro atomique) et par un nombre de masse noté A.
Z : nombre de protons que contient le noyau,
A : nombre de nucléons ( proton + neutron ) présents dans le noyau.
Représentation d’un noyau d’un élément chimique pur: AZ X . 4°) Structure électronique des atomes
L’atome est électriquement neutre; il y a autant d’électrons dans le cortège électronique que de protons dans le noyau.
Z = nombre de charge = nombre de protons = nombre d’électrons.
5°) Les couches électroniques 5.1) Généralités
Le nombre d’électrons du cortège électronique d’un atome est Z. Il y a donc autant de protons dans le noyau que d’électrons dans le cortège électronique. Ces Z électrons ne sont pas répartis de la même manière dans l’espace et ne jouent pas le même rôle chimique.
Les électrons d’une même couche électronique ( d’un même niveau d’énergie ) évoluent en moyenne à la même distance du noyau.
5.2) Règles de répartition des électrons
Première règle : une couche électronique ne contient qu’un nombre de places déterminé pour les électrons.
Deuxième règle : Les électrons remplissent les couches électroniques dans l’ordre naturel, une couche ne commence à se remplir que si la précédente est saturée (pleine).
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5.3) Désignation des couches
Une couche électronique est désignée, soit par un nombre appelé nombre quantique n ( avec n = 1, 2, 3, ...), soit par une lettre ( K, L, M, ...). La couche de rang n = 1 (K) est la plus proche du noyau, quand n augmente les électrons s’éloignent du noyau.
Couche Nombre quantique Nombre maximal d’électrons
K 1 2
L 2 8
M 3 18
5.4) Exemples
Hydrogène Z = 1; un seul électron se place dans la couche K.
Carbone Z = 6; deux électrons dans la couche K, quatre électrons dans la couche L.
Oxygène Z = 8; deux électrons dans la couche K et six dans la couche L.
6°) Représentation de Lewis des atomes
De tous les électrons d’un atome, ce sont les électrons de la couche externe, qui sont les plus important, en ce qui concerne la chimie. Les électrons périphériques peuvent ou bien se grouper par deux pour former des doublets d’électrons ou bien rester seuls ( électrons célibataires).
Un doublet est représenté par un trait, un électron célibataire par un point.
Exemples: H C O
La représentation de Lewis concerne les atomes lorsqu’ils sont prêts à réagir.
7°) Règle de l’octet
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Les atomes évoluent chimiquement de manière à saturer leur couche externe à un octet (huit) d’électrons ( l’hydrogène évolue pour acquérir un doublet sur sa couche externe).
Mise en commun d’un électron célibataire : liaison covalente Echange d’électrons : liaison ionique ( rare en chimie des textiles ).
8°) Les molécules
Les molécules sont des assemblages d’atomes électriquement neutres dans lesquels les atomes sont liés par des liaisons dénommées liaisons de covalence.
deux atomes forment entre eux une liaison de covalence en mettant en commun chacun un électron célibataire pour former un doublet d’électrons.
A B
A B A B
Atomes séparés
Atomes liés Molécules
Exemples:
- molécule d’eau H2O:
H H
O
Atomes séparés Molécule
O
H H
- molécule de dioxyde de carbone CO2:
O
O C
Atomes séparés Molécule
O C O
9°) Les ions
En gagnant ou en perdant des électrons, les atomes se transforment en particules chargées ( négativement ou positivement) appelées ions. Les anions sont des ions chargés négativement et les cations sont des ions chargés positivement.
La capture ou la perte d’un ou plusieurs électrons ne modifie pas le noyau d’un atome, seul le cortège électronique est affecté.
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10°) Réaction chimique
Elle est représentée par une équation bilan, qui donne la transformation des réactifs en produits.
Exemple : combustion du carbone dans le dioxygène: C + O2 --> CO2
Une équation bilan équilibrée respecte la conservation des atomes de chacun des éléments, qui interviennent dans la réaction.
Pour équilibrer l'équation bilan, il faut rechercher les coefficients stœchiométriques à placer devant les symboles chimiques pour respecter la loi de conservation des éléments et des charges.
Loi de Lavoisier: Dans une réaction chimique, la masse de produits formés est égale à la masse des réactifs disparus.
11°) Mole, masse molaire, volume molaire
Une mole d'atomes d'une espèce déterminée est la quantité de matière constituée par un nombre N de ces atomes (N: nombre d'Avogadro = 6,02.1023 mol-1).
La masse molaire atomique correspond à la masse d'une mole d'atomes.
La masse molaire moléculaire correspond à la masse d'une mole de cette molécule.
Le volume d'une mole de corps pur est appelé volume molaire. Le volume molaire gazeux est de 22,4 L.mol-1 sous 105 Pa et à 20° C.
Des volumes égaux de gaz différents, pris dans les mêmes conditions de température et de pression, contiennent le même nombre de molécules.
Pour mémoire : 1 bar = 105 Pa
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