L'atome est la plus petite partie de matière, indivisible, qui compose toute matière. Lors d'une transformation chimique, les atomes des réactifs se réorganisent pour former les produits. Ceci est modélisé par une réaction chimique.
Les atomes
L'historique du modèle de l'atome
- Jusqu'en 420 avant J.-C., les savants pensaient que la matière était composée de quatre éléments fondamentaux : la terre, l'eau, l'air et le feu.
- En 420 avant J.-C., Démocrite énonça que la matière était constituée de particules infiniment petites et indivisibles appelées "atomos". Cette théorie fut rejetée et le principe des quatre éléments fondamentaux traversa les siècles jusqu'au XVIIe siècle.
- En 1803, John Dalton fut le premier à reprendre la théorie de l'atome pour expliquer les transformations chimiques.
Atome
L'atome est le constituant fondamental de la matière.
Toute la matière qui nous entoure est constituée d'atomes.
La représentation des atomes
Chaque atome est modélisé par une sphère de couleur et est représenté par un symbole.
Voici les symboles et modèles des trois atomes les plus courants :
Symboles et modèles des trois atomes les plus courants
Les symboles des atomes s'écrivent avec une lettre, parfois deux (la première est toujours en majuscule).
Le symbole d'un atome de carbone est \ce{C}.
Le symbole d'un atome de fer est \ce{Fe}.
Le tableau périodique
L'ensemble des atomes est répertorié dans un tableau appelé tableau périodique.
Tableau périodique des éléments
Chaque case du tableau périodique correspond à un atome. On y trouve le nom et le symbole de l'atome ainsi que le numéro atomique qui le caractérise. Ainsi, à l'aide du tableau périodique, on peut donc retrouver le nom d'un atome à partir de son symbole ou de son numéro atomique et inversement.
À l'aide du tableau périodique, on repère que le symbole de l'azote est \ce{N} et que son numéro atomique est 7.
Les molécules
Molécule
Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux par des liaisons chimiques.
L'eau n'est pas un atome, mais une molécule composée d'atomes d'hydrogène et d'oxygène.
Formule d'une molécule
La formule d'une molécule indique le nombre et la nature des atomes qui la composent.
La formule de la molécule d'eau est \ce{H2O}.
Les formules des molécules utilisent les symboles des atomes. Si la molécule est composée du même atome plusieurs fois, alors ce nombre est indiqué en bas à droite du symbole de l'atome.
La formule de la molécule d'eau (\ce{H2O}) signifie que la molécule d'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène.
Le modèle d'une molécule est une représentation à notre échelle de la molécule (sa géométrie n'est pas forcément respectée).
La molécule de dioxyde de carbone contient un atome de carbone et deux atomes d'oxygène.
- Sa formule est donc : \ce{CO2}
- Son modèle est composé d'une sphère noire (pour l'atome carbone) et de deux sphères rouges (pour les deux atomes d'oxygène).
Modèles de quelques molécules
Équation de la réaction chimique
L'équation de la réaction chimique est l'écriture symbolique de la réaction. Les espèces chimiques sont représentées par leurs formules chimiques, les réactifs placés à gauche et les produits à droite d'une flèche qui représente le sens d'évolution du système.
L'équation chimique de la combustion du carbone est :
\ce{C_{(s)}} + \ce{O2_{(g)}} \ce{- \gt } \ce{CO2_{(g)}}
La transformation et la réaction chimiques
Définitions
Système chimique
Le système chimique est l'ensemble des espèces chimiques auxquelles on s'intéresse.
Lors d'une combustion, le système chimique est constitué :
- Du combustible
- Du dioxygène
- Des différents produits
Transformation chimique
Une transformation chimique est la modification d'un système chimique, évoluant d'un état initial à un état final.
Une combustion est une transformation chimique, puisque l'état initial du système diffère de son état final.
Réactif
Un réactif est une espèce chimique consommée lors d'une transformation chimique.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, le carbone et le dioxygène sont des réactifs.
Produit
Un produit est une espèce chimique formée lors d'une transformation chimique.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, le dioxyde de carbone est un produit.
Réaction chimique
La réaction chimique est la modélisation, à l'échelle macroscopique, d'une transformation chimique en un processus unique :
\text{Réactifs}\ce{- \gt }\text{Produits}
Dans l'équation de la réaction chimique, la flèche se lit "donne".
Les réactions équilibrées : l'exemple de la combustion complète du carbone
On a déjà vu que le bilan de la combustion du carbone est :
carbone + dioxygène \ce{- \gt } dioxyde de carbone
Soit, en utilisant les symboles, puis les modèles des atomes et des molécules :
Combustion du carbone
Il y a autant d'atomes de carbone et d'oxygène au début et à la fin de la transformation chimique, on dit que la réaction est équilibrée.
| Atome | Du côté des réactifs | Du côté des produits |
|---|---|---|
| \ce{C} | 1 | 1 |
| \ce{O} | 2 | 2 |
Réaction équilibrée
Une réaction chimique doit être équilibrée : tous les atomes présents du côté des réactifs doivent être présents du côté des produits et inversement.
Les réactions à équilibrer : l'exemple de la combustion du méthane
On a déjà vu que le bilan de la combustion complète du méthane est :
méthane + dioxygène \ce{- \gt } dioxyde de carbone + eau
Soit, en utilisant les symboles, puis les modèles des atomes et des molécules :
Combustion du méthane
Écrite ainsi, la réaction n'est pas équilibrée, car on ne trouve pas le même nombre d'atomes du côté des réactifs et des produits.
| Atome | Du côté des réactifs | Du côté des produits |
|---|---|---|
| \ce{C} | 1 | 1 |
| \ce{H} | 4 | 2 |
| \ce{O} | 2 | 3 |
Pour équilibrer la réaction, on ajuste ses coefficients stœchiométriques.
Coefficients stœchiométriques
Les coefficients stœchiométriques sont les nombres placés devant les espèces chimiques dans l'équation d'une réaction chimique. Le nombre "1" n'est pas écrit.
Dans l'équation de la combustion du glucose :
\ce{C6H12O6_{(aq)}} +6 \ce{O2_{(aq)}} \ce{- \gt } 6 \ce{CO2_{(aq)}} + 6 \ce{H2O_{(aq)}}
Les coefficients stœchiométriques sont :
- 1 pour le glucose \ce{C6H12O6}
- 6 pour le dioxygène \ce{O2}, le dioxyde carbone \ce{CO2} et l'eau \ce{H2O}
On modifie donc les coefficients stœchiométriques des espèces permettant d'équilibrer un des atomes de la réaction.
Souvent, il vaut mieux terminer par l'atome d'oxygène, car il est commun à plusieurs espèces chimiques.
Il manque 2 atomes d'hydrogène du côté des produits, on équilibre les atomes d'hydrogène en écrivant le coefficient stœchiométrique 2 devant la molécule d'eau.
On termine en équilibrant les atomes d'oxygène. Il en manque 2 du côté des réactifs, on les équilibre en écrivant le coefficient stœchiométrique 2 devant la molécule de dioxygène :
Réaction de combustion du méthane
La conservation de la masse lors d'une réaction chimique
Une transformation chimique est une réorganisation des atomes présents dans les réactifs. Il n'y a donc pas de perte de la matière entre le début de la transformation et la fin.
Conservation de la masse
Au cours d'une transformation chimique, la masse des réactifs qui disparaît est égale à la masse des produits qui se forment : la masse se conserve.
Lors de la combustion du carbone dans le dioxygène, si 11 g de carbone \ce{C} et 8 g de dioxygène \ce{O2} sont consommés, il se forme alors 19 g de dioxyde de carbone \ce{CO2}.
Lors de la réaction entre le vinaigre et une craie, la masse du système chimique après la transformation est égale à celle avant la transformation.
Conservation de la masse lors de la réaction entre le vinaigre et une craie
La conservation de la masse est une conséquence de la célèbre citation de Lavoisier : "Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme."