Introduction dans la chimie (Exposes)

Introduction dans la chimie
Grand introduction ou définition pour la chimie

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La chimie, est une science vaste du fait de l'étendue de son champ d'investigation : la matière sous toutes ses formes. Il suffit néanmoins de quelques concepts généralement simples pour interpréter et comprendre la plupart des phénomènes qui se produisent dans l'univers.

La première étape consiste donc à distinguer les différents domaines de la science que sont la physique, la biologie et la chimie. Nous mettons volontairement de côté les mathématiques qui ne sont que des outils permettant de mettre en forme ces différentes sciences, et de les structurer dans un cadre logique.

De nombreuses possibilités existent pour présenter la chimie de façon logique. Nous faisons le choix de nous baser sur le concept fondamental de l'atome. Va s'en déduire alors les autres concepts comme celui d'élément chimique, puis celui de valence, celui de liaison chimique et enfin de réaction chimique.

 
 

   Une définition de la chimie

   Qu'est-ce qui distingue la physique de la chimie ? La différence n'est pas toujours nette, mais on peut définir un phénomène chimique comme un changement de composition de la matière. La physique est alors complémentaire de la chimie : tout phénomène qui n'est pas chimique est physique.

   Mais cette définition est floue, peu claire, et présente des contradictions. Eclaircissons tout ça.

   Illustrations

       Exemple 1. Si de l'eau boue, elle change d'état (de l'état liquide à l'état gazeux) mais ne change pas de composition : il s'agit d'un phénomène physique.

       Exemple 2. Si une allumette brûle, le bois se transforme en charbon (carbone graphite) : il y a transformation, il s'agit donc d'un phénomène chimique.

   

       En anticipant, nous dirons qu'à l'échelle moléculaire, une réaction chimique se traduit par une modification des molécules qui composent le mélange initial. Plus précisément, il se produit une ou plusieurs ruptures de liaisons entre atomes suivie de la recombinaison des atomes pour former d'autres molécules

       Une définition plus précise

   Il y a phénomène chimique si il y a réaction chimique, et il y a réaction chimique si il y a rupture de liaison. L'ambiguïté qui existe dans la définition de la chimie réside dans la notion de liaison chimique. En effet, de nombreux types de liaisons chimiques existent. Les deux plus courantes sont la liaison ionique, la liaison covalente deux modèles extrèmes, ainsi que la liaison hybride de ces deux liaisons appelée liaison iono-covalente. Dans ces deux cas, pas d'ambiguïté, ce sont des liaisons de forte énergie, mais il existe aussi les liaisons dites liaisons faibles :

               liaison par interactions électrostatiques dipolaires de type Van der Waals,
               liaison hydrogène,

   Le problème est que ces liaisons ne peuvent être considérées comme des liaisons chimiques, car ce sont ces liaisons qui, par exemple, se rompent lorsque l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux. Il faut donc fixer une limite dans la définition de cette rupture de liaison : un critère énergétique. L'énergie de liaison d'une liaison hydrogène est de l'ordre de 4 kJ / mol. Une liaison entre deux atomes de carbone est de l'ordre de 430 kJ / mol.

       On considérera qu'une liaison est une liaison chimique lorsque celle-ci sera supérieure à 50 kJ / mol.

   Une définition correcte d'une réaction chimique devient : une réaction chimique résulte de la recombinaison d'atomes liés initialement par une énergie d'au moins 50 kJ / mol.

       Remarque. On peut encore aller plus loin dans les précisions et constater qu'il n'existe pas de définition exacte d'une réaction chimique.

       La structure de la matière

    Les chercheurs, physiciens, chimistes, biologistes et mathématiciens, ont validé depuis maintenant plus d'un siècle l'existence des atomes. Depuis, des expériences réalisées sur ces atomes ont permis de connaître leur constitution ultime (?) en particules éléméntaires.

   Dans une approche simple, celle valable pour les chimistes, la matière est composée de trois particules. En fait, il y a plusieurs centaines de particules qui permettent d'interpréter la composition des atomes et la nature de leurs interactions, mais nous laissons de côté le domaine de la physique des particules pour nous centrer sur les trois particules : électron, proton et neutron, qui permettent de construire le légo chimique de la matière.

   Les différents zooms nous font passer :

           -d'un morceau de métal

           -à la sphère métallique

           -à l'atome avec les électrons autour du noyau

           -au noyau composé de protons et de neutrons

           -et aux trois particules qui composent les particules du noyau, les quarks, qui ne seront d'aucun intérêt en chimie.

Les trois particules

   Le monde, la matière, les êtres vivants sont fait d'atomes. L'atome est la "brique élémentaire" grâce à laquelle la matière existe. Il faut néanmoins se méfier du terme élémentaire, mais en chimie, la connaissance de l'atome et des trois particules qui le composent suffit à expliquer tous les phénomènes. Ces trois particules sont :

       l'électron (blanc) : particule portant une charge négative, tournant autour du noyau.

       le proton (rouge) : particule portant une charge positive, située dans le noyau, pesant environ 1850 fois la masse de l'électron.

       le neutron (bleu) : particule sans charge, située dans le noyau, pesant la même masse que le proton.

   Ces trois particules ont des caractéristiques physiques bien connues (masse, charge, rayon), excepté le rayon de l'électron.

   

           Constitution des atomes : électrons et nucléons

   Dans l'atome, les deux parties importantes sont :

       -le noyau où se trouvent protons et neutrons

       -le nuage électronique où sont dispersés les électrons de l'atome

   Mais connaître complètement la constitution d'un atome c'est connaître son nombre d'électrons, de protons, et de neutrons. C'est pourquoi on utilise le symbolisme de l'élément chimique.

   Dans ce mode de représentation, un atome est défini par :

       le nombre de proton : Z ;

       le nombre de neutrons : A - Z (pusique A est le nombre de nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons) ;

   le nombre d'électrons qui est égal à :

           ----Z pour un atome neutre,

           ----Z + n dans le cas d'un anion à n charges négatives,

           ----Z - n dans le cas d'un cation à n charges positives.

           

        Mouvement des particules dans leur environnement

   Protons et neutrons ne sont pas immobiles dans le noyau. Ils bougent et leur mouvement peut être considéré en première approximation comme une oscillation (ressort).

   Les électrons, eux, se déplacent à grande vitesse autour du noyau (un peu moins de la vitesse de la lumière). Leur déplacement n'est pas celui d'une orbite telle qu'on les représente souvent. Les électrons se trouvent dans un nuage diffus où on les positionne selon leur probabilité de présence (lobes de densité).

       Remarque. Il ne faut pas utiliser l'expression "les électrons gravitent autour du noyau", car les électrons ne sont que très minoritairement influencé par la force gravitationnelle.

       Notion de nucléide

   Pour plus de précisions dans le vocabulaire, on définit un nucléide comme une entité caractérisée uniquement par le nombre de particules qui composent le noyau, définis par A et Z..

       La chimie est le monde des électrons

   Les réactions chimiques sont des phénomènes qui nécessitent peu d'énergie. Lors d'un processus chimique, c'est donc les particules les plus accessibles qui vont faire les réactions chimiques : les électrons. Une réaction chimique sera donc un phénomène purement électronique.

       Remarque. Pour atteindre le noyau, les énergies mises en jeu doivent être beaucoup plus importantes. Il s'agit alors de réactions nucléaires.

   

   La valence des atomes

       Kekulé

       

   La valence d'un atome fixe de façon précise le nombre d'atomes auquel cet atome peut se lier... Pour être plus clair, si un atome a une valence de 1, il ne pourra se lier qu'à un seul atome. Si sa valence est de 4, il pourra se lier au maximum avec 4 atomes, etc. On qualifiera chaque atome de monovalent, divalent, trivalent ou tétravalent.

   

       

       Introduction historique - Exemples - Comment déterminer la valence des atomes ?

       Introduction historique

   Une des avancées les plus importantes du XIXème siècle a été d'abord de définir clairement la distinction entre atome et molécule, mais surtout de découvrir que les atomes s'associent selon des règles mathématiques précises. Pour prendre un exemple, dans les molécules renfermant du carbone, les associations de différents atomes dans cette molécule se font en respectant toujours le nombre 4. Dans le cas de l'oxygène, ce chiffre est 2, dans le cas de l'hydrogène c'est 1 etc. Chaque élément chimique est caractérisé par une chiffre allant de 1 à 4 : la valence. Cette remarque est presque toujours vérifiée, à l'exception de certaines molécules composées d'atomes lourds. La formulation du concept de valence est due a August Kekulé, en photo ci-dessus.

   Illustration par l'exemple du carbone. Voyons quelques exemples sur des molécules simples.

           Dans le gaz dihydrogène, H2, deux atomes d'hydrogènes sont associés.
           Dans le méthane, CH4, il y a un carbone et quatre hydrogènes : le carbone est associé à quatre atomes.
           Dans l'eau, H2O, il y a deux hydrogènes et un oxygène : l'oxygène est associé à deux atomes.
           Dans le formol, CH2O, il y a un carbone entouré de deux hydrogènes (2 fois 1) et d'un oxygène (2) : le carbone est associé à trois atomes mais respecte le chiffre 4.
           Dans de dioxyde de carbone, CO2, le carbone est entouré de deux oxygènes 2 fois 2 = 4.
           Dernier exemple : dans l'éthane de formule C2H6, chaque carbone est entouré d'un carbone et de trois hydrogènes : 3 + 1 = 4.

   La conséquence de cette découverte a été de pouvoir affirmer que chaque atome est caractérisé par un chiffre, que l'on appelle la valence, et quelque soit l'origine de l'élément chimique, sa valence est toujours conservée.

       Exception. Les atomes légers respectent cette loi. Les atomes lourds, c'est à dire les atomes métalliques, qui eux portent plus d'une dixaine d'électrons, pourront présenter plusieurs formes, comme le fer qui existe sous trois formes principales : l'oxyde de fer (II) FeO, l'oxyde de fer (III) Fe2O3 et la magnétite, Fe3O4. On dit dans ce cas que l'élément métallique présente plusieurs degrés d'oxydation.

       Exemples

   Voici dans un tableau la valence des principaux atomes de la classification périodique.

       Atome monovalent
       

       Atome divalent
       

       Atome trivalent
       

       Atome tétravalent

       H, Li, Na, K...

       F, Cl, Br, I...
       

       Be, Mg, Ca...

       O, S...
       

       B, Al...

       N, P...
       

       C, Si...

   Nous faisons le choix de ne représenter ni les métaux de transition ni les éléments lourds dans le tableau.

       Comment déterminer la valence des atomes ?

   La méthode la plus simple est celle de Lewis. Elle nécessite la connaissance du nombre d'électrons de l'atome, leur répartition (configuration électronique) et le mode de représentation de Lewis.

   La classification périodique de Mendéléïev permet aussi de déterminer très rapidement la valence de chaque atome

       La liaison chimique

   La notion de valence allait avoir une autre conséquence : celle de la mise au point de la notion de liaison chimique. En effet, un molécule est un édifice composé d'atomes. Pour que cet édifice soit stable, c'est que ces atomes sont liés entre eux.

   Nous n'exposerons pas ici les phénomènes mis en cause dans cette liaison chimique, mais nous allons en donner les principes.

   Il existe trois modes de description de la liaison chimique :

               la liaison covalente
               la liaison ionique
               l'interaction orbitalaire (non abordée ici)

       Liaison covalente

   La liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient. Le terme de covalence signifie que la liaison résulte de la mise en commun d'une valence de chaque atome.

       Exemple. Si un carbone est tétravalent, et que l'hydrogène est monovalent, alors la molécule composée d'un atome de carbone est obligatoirement composée aussi de quatre hydrogènes : CH4.

           Liaison ionique

   La liaison ionique résulte de l'attraction entre une espèce positive (cation) et une espèce négative (anion). La stabilité de la liaison est assurée par l'interaction électrostatique.

           

La représentation des atomes et des molécules

La chimie est l'art d'interpréter les transformations de la matière. Pour simplifier cette interprétation, on utilise des représentations conventionnelles pour symboliser les molécules. Comme le disent les physiciens : "les chimistes n'écrivent pas, ils dessinent", encore faut-il savoir ne pas dessiner n'importe quoi n'importe comment.

   Les atomes

   

   Pour les atomes, la représentation la plus commode, dans une première approximation est celle mise au point par Gilbert Lewis en 1916 : les structures de Lewis. Dans cette représentation, un atome est représenté par son symbole atomique, est il est entouré du nombre d'électrons qui forment sa couche périphérique. Il est par conséquent nécessaire de connaître sa configuration électronique, ou plus simplement, sa place dans la classification périodique.

       Exemple. Le carbone de symbole C, porte 6 électrons dont 2 sur la première couche et 4 sur la seconde : on représentera le carbone par un C entouré de quatre points :

Les molécules

En ce qui concerne les molécules, il existe quatre représentations liées à ces structures de Lewis.

   Formule brute : La représentation la plus simple est la formule brute.
   Formule semi-développée : Elle donne des informations partielles sur la molécule.
   Formule développée : Elle permet de comprendre la construction de la molécule par le modéle de Lewis.
   Structure spatiale : Elle montre comment sont disposés les atomes de façon symbolique mais rigoureuse.
   Structutres simplifées : on y remplace les symboles par des segments qui symbolisent les liaisons carbone-carbone

La réaction chimique

   Une réaction chimique est un phénomène fort complexe pouvant être expliqué dans une certaine mesure et dans certains cas simples.

       Comme nous l'avons déjà dit, une réaction chimique amène une transformation de la matière.
       Par conséquent, une réaction chimique amène un changement de formes de molécules, d'atomes ou d'ions.
       On sait que dans les molécules, les atomes sont liés entre eux .
       Une réaction chimique consistera donc à casser les liaisons, séparer les atomes, et les laisser se recombiner .

   En représentation de Lewis, une réaction peut être perçue comme la recombinaison des atomes. Attention, cette représentation trop simplifiée n'est pas le reflet de la réalité.

   La réaction chimique est la succession des phénomènes suivants :

       Molécules de départ : réactifs ou molécule cible + réactif
       Initiation de la réaction : activation thermique, photochimique
       Première phase de réaction : ruptures de liaisons
       Deuxième phase de réaction : déplacement des atomes
       Troisième phase de réaction : recombinaison des atomes par reformation des liaisons, et obtention des molécules finales, des produits.

   Ceci est vrai dans la plupart des situations, exceptées les réactions "simples" comme les réactions acido-basiques et les réactions redox.

   Réaction chimique et mécanismes réactionnels

   Pour mieux comprendre comment se produit une réaction chimique, les mécanismes réactionnels proposent une approche de la façon dont se déroulent les réactions. Toutes les réactions chimiques ne peuvent pas être présentées sous forme de mécanismes réactionnels.

   A savoir avant d'aller plus loin...

   La stœchiométrie de réaction et le concept de coefficient stoechiométrique est une notion fondamentale de la chimie. Nous renvoyons à une page qui ne traite rien que de cet aspect de la chimie : stœchiométrie de réaction.

   

   Les mécanismes réactionnels

   Nous avons dit précédemment que les molécules qui évoluent aucours d'une réaction chimique peuvent être vues comme les pièces d'un lego que l'on casse et que le recompose. Il y a une logique dans les phénomènes : une logique complexe, mais une logique flagrante.

   Un mécanisme réactionnel permet de justifier par une représentation schématique simple le déroulement d'une réaction chimique. Evidemment, ce modèle a ses limites. Dans un premier temps, il est donc fondamental de comprendre la logique du mécanisme réactionnel, mais le plus important sera d'apprendre à ne pas l'utiliser n'importe comment.

       Principe d'un mécanisme réactionnel

   Le mécanisme d'une réaction montre comment les électrons, symbolisés par une flèche se déplacent (emportant les atomes auxquels ils sont liés) pour apporter une explication au déroulement de la réaction, c'est-à-dire aux liaisons qui se forment et aux liaisons qui se rompent.

   C'est principalement par des études cinétiques et par spectroscopie que ces mécanismes ont pu et peuvent être établis.

   L'animation ci-contre illustre un mécanisme réactionnel enzymatique.

   La logique de la chimie : une histoire d'électrons

   C'est au début du XXème siècle que les scientifiques ont constaté que l'électron avait une place prédominante dans la chimie. Gilbert Lewis proposa dès 1916 un modèle d'une rare simplicité décrivant un mode de représentation des molécules. Pour ceci, il postula (sans que rien pour l'époque ne puisse le justifier) que la liaison chimique résultait de la mise en commun de deux électrons.

   La notion de valence prenait alors une autre signification : c'était devenu le nombre d'électrons seuls, non appariés, situés sur la périphérie de l'atome.

   Dès lors la chimie allait devenir l'univers des déplacements d'électrons.

       Réactions chimiques et électrons

   Si les liaisons entre atomes sont faites de doublets d'électrons, et qu'une réaction chimique casse les molécules et recombine les atomes, c'est que les réactions chimiques sont des phénomènes purement électroniques. Ce raisonnement trivial va être à la base de toute la chimie du XXème siècle, et est encore utilisée aujourd'hui dans la plupart des cas (la chimie quantique viendra un peu "perturber" cette mécanique bien huilée par Lewis et ses successeurs, mais elle ne viendra la compléter que dans quelques cas particuliers). Le modèle de Lewis reste la référence en matière de représentation à la fois des atomes, des molécules, mais aussi des réactions et des mécanismes réactionnels en chimie.

   Il est néanmoins certains que seul une description quantique de la molécule permet une approche presque satisfaisante des phénomènes chimiques.

       La logique de la chimie

   La logique de la chimie devient alors flagrante lorsque les phénomènes deviennent compréhensibles et interprétables. Nous venons de voir qu'une réaction chimique implique des déplacements d'électrons, les électrons périphériques des atomes. Il restera maintenant qu'à découvrir les différents types de réactions chimiques qui existent, puis ensuite d'apprendre à les interpréter.

   Les grands types de réactions sont :

       les réactions d'oxydo-rédution : échange d'électrons e-,
       les réactions acido-basiques : échange de protons H+,
       les réactions de complexation, de précipitation, de substitution : échange de groupements ioniques ou moléculaires,
       les réactions d'élimination : départ de groupements d'une molécule,
       les réactions d'addition : greffe de groupements sur une molécule.

   Expériences

   Nous proposons ici quelques expérience simples permettant de mettre en évidence quelques phénomènes chimiques élémentaires.

       Mise en évidence de l'acidité et de la basicité de produits de  la vie de tous les jours.
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