La matière : Substances?

Chapitre 1 : Atome, ions et molécules

GCI 190 - Chimie Hiver 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 électrons et des neutrons;

Structure de l’atome

Proton :

Charge: +1

Masse :

1.672*10^-24 g Charge

Électron :

Charge : -1

Masse :

9.108*10^-28 g Charge

Neutron :

Charge : 0

Masse :

1.675*10^-24 g Charge

Charge

électrique : +1.602*10^-19 C

Charge

électrique : -1.602*10^-19 C

Charge

électrique : 0 C

Structure de l’atome

± 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

Structure de l’atome

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

Structure de l’atome

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

Structure de l’atome

Fusion des éléments présents

Structure de l’atome

Génération des éléments plus complexes

Structure de l’atome

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

Structure de l’atome

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.

Structure de l’atome

John Dalton (1766-1844)

Chang et Papillon, 2009

Structure de l’atome

John Dalton (1766-1844)

Chang et Papillon, 2009

Structure de l’atome

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

Chang et Papillon, 2009

Structure de l’atome : l’électron

Chang et Papillon, 2009

Structure de l’atome

Modèle atomique

Présence de noyaux solides dans les atomes;

Entourés d’électrons

Ernest Rutherford Ernest Rutherford

(1871 – 1937)

Structure de l’atome

Ernest Rutherford Ernest Rutherford

(1871 – 1937)

Chang et Papillon, 2009

Structure de l’atome

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 = Ag

Bismuth = 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)

Numéro atomique, nombre de masse et les isotopes

7 Li

Numéro de masse (A) : Protons + neutrons

7 Li

3

Numéro atomique (Z) : Nombre de protons

Numéro atomique, nombre de masse et les isotopes

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

Numéro atomique, nombre de masse et les isotopes

1 H

2 H

3 H

1 H

Protium (99.9885%)

1 H

Deutérium (0.0115%)

1 H

Tritium (traces)

Classification des atomes : le tableau périodique

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

Le tableau périodique : une classification des éléments

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)

Le tableau périodique : une classification des éléments

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.

Le tableau périodique : une classification des éléments

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'aluminiumet au siliciumdont 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 tableau périodique : une classification des éléments

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) »

Le tableau périodique : une classification des éléments

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.

Le tableau périodique : une classification des éléments

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

Périodes 1 ₁H LA 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 Kr 4₁₉K 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 Formule

Cations métalliques Aluminium

(III) Al³⁺

Argent Ag⁺

Nom Formule Anions monoatomiques Bromure Br⁻ Chlorure Cl⁻ Fluorure F⁻ Autres cations

Ammonium NH₄⁺ Nitronium NO₂⁺

Nom Formule

Anions issus d'acides organiques

Acétate CH₃CO₂⁻

Formiate HCO₂⁻

Argent Ag

Baryum 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⁻

Oxonium ou

hydronium H₃O⁺ Hydrogène H⁺

Pyridinium C₅H₅NH⁺

Formiate HCO₂⁻

AutresAnions

Aluminate Al(OH)₃⁻

Amidure NH₂⁻

Cyanate OCN⁻

Cyanure CN⁻

Diphosphate P₂O₇^4- Hydrogénosulfure HS⁻

Hydroxyde OH⁻

Permanganate MnO₄⁻ Bicarbonate HCO₃^-

Carbonate CO₃^2-

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

C

H

C

H

CaCO

Formulation chimique

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.

C

H

Formulation chimique

Une formule moléculaire indique non seulement les éléments présents mais aussi le nombre

exacte d’atomes formant la molécule.

C

H

C

H

C

H

Formulation chimique

Les composés ioniques s’unissent dans les

rapports les plus simples et sont donc toujours donnés par des formules empiriques.

Ag

CO

BaCO

Représentation moléculaire

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.

Nomenclature –

Composés inorganiques

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 (N^3-) Oxyde (O₂^-)

Permanganate (MnO₄^-) Peroxyde (O₂^2-)

Phosphate (PO₄^3-) Sulfate (SO₄^2-) Sulfite (SO₃^2-) Sulfure (S^2-)

Thiocyanate (SCN^-)

Nomenclature –

Composés inorganiques

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 moyenne représente 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 (M

)

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 M_w 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 M_w.

La masse molaire (M

)

1 atome de Cl 35.45 uma

1 mole de Cl 1 mole de Cl 35.45 g

1 molécule de Cl₂ 70.90 uma

1 mole de Cl₂ 70.90 g

Un mole de….

Carbone (C) Soufre (S)

Cuivre (Cu) Fer (Fe)

Mercure (Hg)

La masse molaire

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;