La chimie à l’école — Années 1 à 12 · Grades 1–12

11Atomes et molécules

Prends une goutte d’eau et coupe-la en deux. Chaque moitié est encore de l’eau. Coupe une moitié en deux, encore, et encore. Pourrait-on continuer indéfiniment, ou finirait-on par obtenir un morceau si petit que le couper une fois de plus donnerait quelque chose qui n’est plus du tout de l’eau ? Vers 400 av. J.-C., le penseur grec Démocrite a deviné la réponse : la matière est faite de minuscules morceaux que l’on ne peut pas couper, qu’il a appelés atomes, du grec signifiant « insécable ». Il a fallu plus de deux mille ans, et le travail des chimistes du xix^e siècle, pour faire de cette intuition une science. Ce chapitre décrit ces morceaux — les atomes — et la façon dont ils se regroupent en molécules.

Rappel

Un corps pur, comme l’eau ou le dioxygène, est constitué d’une seule espèce chimique ; un mélange, comme l’air, en contient plusieurs (Chapitre 8). L’air contient environ quatre cinquièmes de diazote et un cinquième de dioxygène (Chapitre 4).

11.1 Les atomes

Définition 11.1 (Atome)

Toute la matière est construite à partir de particules extrêmement petites appelées atomes. Il n’existe dans la nature qu’une centaine de sortes d’atomes différentes, et chaque substance — l’eau, l’air, le fer, le sucre, notre propre corps — est faite d’atomes de quelques-unes de ces sortes.

Proposition 11.2 (Les atomes sont minuscules)

Le plus petit atome, l’atome d’hydrogène, mesure environ un dix-millionième de millimètre de diamètre ; les autres sont au plus quelques fois plus gros. Dix millions d’atomes d’hydrogène alignés formeraient une ligne d’un millimètre. Pour se le représenter : si une pomme était agrandie jusqu’à la taille de la Terre, chacun de ses atomes aurait à peu près la taille d’une petite cerise.

Remarque 11.3 (Vus sans être vus)

Aucun microscope utilisant la lumière ne peut montrer un atome : les atomes sont bien plus petits que les ondes lumineuses. Depuis les années 1980, des microscopes spéciaux, qui palpent une surface avec une pointe extrêmement fine, fournissent des images où les atomes isolés apparaissent comme des bosses.

Définition 11.4 (Symbole d’un atome)

Chaque sorte d’atome a un nom et un symbole : une lettre majuscule, parfois suivie d’une lettre minuscule. Le symbole est le même dans toutes les langues.

atome	symbole	couleur du modèle	atome	symbole	couleur du modèle
hydrogène	$\ce{H}$	blanc	sodium	$\ce{Na}$	violet
carbone	$\ce{C}$	noir	soufre	$\ce{S}$	jaune
azote	$\ce{N}$	bleu	chlore	$\ce{Cl}$	vert
oxygène	$\ce{O}$	rouge	fer, cuivre	$\ce{Fe}$ , $\ce{Cu}$	—

Remarque 11.5 (D’où viennent les symboles)

La plupart des symboles sont les premières lettres du nom : $\ce{H}$ pour l’hydrogène, $\ce{C}$ pour le carbone, $\ce{O}$ pour l’oxygène. Certains viennent d’un nom latin plus ancien : $\ce{Na}$ pour le sodium (natrium), $\ce{Fe}$ pour le fer (ferrum), $\ce{Cu}$ pour le cuivre (cuprum). La seconde lettre est toujours minuscule : $\ce{Co}$ est l’atome de cobalt, tandis que CO, avec un O majuscule, est tout autre chose.

Histoire des sciences — Les atomes de Dalton, 1808

En 1808, le chimiste John Dalton publia un tableau des atomes alors connus, chacun dessiné comme un petit cercle portant son propre signe. Il fut le premier à affirmer que tous les atomes d’une même sorte ont le même poids, et que les chimistes pouvaient comparer ces poids. Mais il supposait aussi que l’eau était un atome d’hydrogène lié à un atome d’oxygène ; il fallut encore cinquante ans pour que les chimistes s’accordent sur le fait qu’une molécule d’eau contient deux atomes d’hydrogène.

11.2 Les molécules

Définition 11.6 (Molécule)

Une molécule est un groupe d’atomes solidement liés entre eux. Une molécule est le plus petit morceau d’une substance qui soit encore cette substance : une molécule d’eau est la plus petite quantité d’eau possible.

Exemple 11.7 (Sept molécules)

la molécule de dihydrogène : deux atomes d’hydrogène ;
la molécule de dioxygène, que nous respirons : deux atomes d’oxygène ;
la molécule de diazote, les quatre cinquièmes de l’air : deux atomes d’azote ;
la molécule d’eau : deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène ;
la molécule de dioxyde de carbone, que nous expirons : un atome de carbone et deux atomes d’oxygène ;
la molécule de méthane, le principal constituant du gaz naturel brûlé dans les cuisinières : un atome de carbone et quatre atomes d’hydrogène ;
la molécule de protoxyde d’azote, un gaz anesthésiant : deux atomes d’azote et un atome d’oxygène.

Modèles moléculaires éclatés des sept molécules de l’. Chaque bâtonnet représente une liaison entre deux atomes ; pourquoi certains atomes partagent deux ou trois bâtonnets est expliqué dans un chapitre suivant. — Modèles moléculaires éclatés des sept molécules de l’Exemple 11.7. Chaque bâtonnet représente une liaison entre deux atomes ; pourquoi certains atomes partagent deux ou trois bâtonnets est expliqué dans un chapitre suivant.

Proposition 11.8 (Les molécules d’un corps pur et d’un mélange)

Dans un corps pur constitué de molécules, toutes les molécules sont identiques : l’eau pure ne contient que des molécules d’eau. Un mélange contient des molécules de plusieurs sortes : l’air est surtout fait de molécules de diazote et de molécules de dioxygène, environ quatre de diazote pour une de dioxygène, avec quelques atomes d’argon qui restent isolés, et très peu de molécules de dioxyde de carbone.

Un zoom énorme. À gauche : dans l’air, les molécules de diazote (bleues) sont bien plus nombreuses que celles de dioxygène (rouges), et un atome d’argon (bleu pâle) voyage seul ; les molécules d’un gaz sont très éloignées les unes des autres. À droite : dans l’eau liquide, les molécules sont toutes identiques et se touchent.

11.3 Les formules chimiques

Définition 11.9 (Formule chimique)

La formule chimique d’une molécule énumère les symboles de ses atomes, chacun suivi d’un petit nombre écrit en bas à droite — l’indice — qui donne le nombre d’atomes de cette sorte que contient la molécule. Un indice 1 ne s’écrit pas.

Exemple 11.10 (Les sept formules)

Les molécules de l’Exemple 11.7 ont pour formules :

molécule	formule	atomes
dihydrogène	$\ce{H2}$	2 hydrogènes
dioxygène	$\ce{O2}$	2 oxygènes
diazote	$\ce{N2}$	2 azotes
eau	$\ce{H2O}$	2 hydrogènes, 1 oxygène
dioxyde de carbone	$\ce{CO2}$	1 carbone, 2 oxygènes
méthane	$\ce{CH4}$	1 carbone, 4 hydrogènes
protoxyde d’azote	$\ce{N2O}$	2 azotes, 1 oxygène

Méthode 11.11 (Lire une formule)

Pour lire la formule d’une molécule :

la découper en symboles : chacun commence par une majuscule ;
après chaque symbole, lire l’indice (pas d’indice veut dire 1) ;
additionner les indices pour obtenir le nombre total d’atomes.

Pour $\ce{C2H6O}$ (l’éthanol, l’alcool des boissons) : 2 carbones, 6 hydrogènes, 1 oxygène, soit 9 atomes en tout.

Remarque 11.12 (Un nombre devant)

Un nombre écrit devant une formule compte des molécules : $\ce{3H2O}$ désigne trois molécules d’eau, qui contiennent ensemble 6 atomes d’hydrogène et 3 atomes d’oxygène. Il ne faut pas confondre $\ce{O2}$ , une molécule formée de deux atomes d’oxygène, avec $\ce{2O}$ , deux atomes d’oxygène qui ne sont pas liés.

Exemple 11.13 (Le méthane dans la cuisine)

Le gaz naturel d’une cuisinière est surtout du méthane, $\ce{CH4}$ . Chacune de ses molécules est un atome de carbone entouré de quatre atomes d’hydrogène. Ce gaz est invisible et n’a pas d’odeur : l’odeur du « gaz » est celle d’une substance ajoutée exprès, pour qu’une fuite se remarque.

La flamme bleue d’une cuisinière à gaz : le méthane du gaz naturel brûle.

11.4 Les modèles moléculaires

Remarque 11.14 (Les modèles et leurs couleurs)

Les chimistes construisent des modèles moléculaires avec des boules pour les atomes et des bâtonnets pour les liaisons entre eux. Les couleurs sont une convention utilisée dans le monde entier — carbone noir, hydrogène blanc, oxygène rouge, azote bleu — et non la vraie couleur des atomes : un atome isolé n’a aucune couleur. Un modèle montre aussi la forme d’une molécule, ce que ne fait pas une formule : la molécule d’eau est coudée, la molécule de dioxyde de carbone est linéaire.

Une boîte de modèles moléculaires : des boules pour les atomes, percées de trous pour les bâtonnets qui représentent les liaisons.

Méthode 11.15 (D’un modèle à une formule)

Pour écrire la formule d’une molécule à partir de son modèle :

nommer les atomes d’après leurs couleurs ;
compter les boules de chaque couleur ;
écrire les symboles avec les nombres en indice, le carbone d’abord, puis l’hydrogène, puis les autres atomes dans l’ordre alphabétique de leurs symboles.

Une boule noire liée à quatre boules blanches : un carbone, quatre hydrogènes, $\ce{CH4}$ .

11.5 Exercices

Exercice 11.1 ★

Qu’est-ce qu’un atome ? Qu’est-ce qu’une molécule ?

Solution

Solution de Exercice 11.1.

Un atome est l’une des particules extrêmement petites à partir desquelles toute la matière est construite (il en existe une centaine de sortes). Une molécule est un groupe d’atomes solidement liés entre eux, le plus petit morceau d’une substance qui soit encore cette substance.

Exercice 11.2 ★

Donne les symboles de l’hydrogène, du carbone, de l’azote, de l’oxygène, du sodium et du fer.

Solution

Solution de Exercice 11.2.

$\ce{H}$ , $\ce{C}$ , $\ce{N}$ , $\ce{O}$ , $\ce{Na}$ , $\ce{Fe}$ .

Exercice 11.3 ★

Combien d’atomes de chaque sorte y a-t-il dans une molécule de dioxyde de carbone, $\ce{CO2}$ ? Combien d’atomes en tout ?

Solution

Solution de Exercice 11.3.

1 atome de carbone et 2 atomes d’oxygène : 3 atomes en tout.

Exercice 11.4 ★

Nomme les molécules $\ce{H2O}$ , $\ce{O2}$ , $\ce{CH4}$ et $\ce{N2}$ .

Solution

Solution de Exercice 11.4.

Eau, dioxygène, méthane, diazote.

Exercice 11.5 ★

Une molécule de dioxyde d’azote, un gaz brun présent dans l’air pollué, est formée d’un atome d’azote et de deux atomes d’oxygène. Écris sa formule.

Solution

Solution de Exercice 11.5.

$\ce{NO2}$ .

Exercice 11.6 ★★

Explique la différence entre $\ce{O2}$ et $\ce{2O}$ , et entre $\ce{CO}$ et $\ce{Co}$ .

Solution

Solution de Exercice 11.6.

$\ce{O2}$ est une molécule formée de deux atomes d’oxygène liés ; $\ce{2O}$ désigne deux atomes d’oxygène séparés. $\ce{CO}$ est une molécule formée d’un atome de carbone et d’un atome d’oxygène (deux majuscules, deux symboles) ; $\ce{Co}$ est un atome de cobalt (un seul symbole, une majuscule puis une minuscule).

Exercice 11.7 ★★

Combien d’atomes d’hydrogène et combien d’atomes d’oxygène y a-t-il dans $\ce{3H2O}$ ? Dans $\ce{5O2}$ ?

Solution

Solution de Exercice 11.7.

$\ce{3H2O}$ : $3\times 2 = 6$ atomes d’hydrogène et $3\times 1 = 3$ atomes d’oxygène. $\ce{5O2}$ : pas d’hydrogène, $5\times 2 = 10$ atomes d’oxygène.

Exercice 11.8 ★★

Un modèle est formé d’une boule noire liée à deux boules rouges. Nomme les atomes, écris la formule et nomme la molécule.

Solution

Solution de Exercice 11.8.

Le noir est le carbone, le rouge l’oxygène : un carbone, deux oxygènes, $\ce{CO2}$ , le dioxyde de carbone.

Exercice 11.9 ★★

Dans le tableau de Dalton, l’eau est formée d’un atome d’hydrogène et d’un atome d’oxygène. Écris la formule que Dalton avait en tête, et dis combien d’atomes il manque à sa molécule d’eau.

Solution

Solution de Exercice 11.9.

L’eau de Dalton était $\ce{HO}$ . La vraie molécule, $\ce{H2O}$ , a un atome d’hydrogène de plus : il manquait un atome à la molécule de Dalton.

Exercice 11.10 ★★

L’eau pure est-elle un mélange ? Et l’air ? Réponds en décrivant les molécules que chacun contient.

Solution

Solution de Exercice 11.10.

L’eau pure n’est pas un mélange : toutes ses molécules sont des molécules $\ce{H2O}$ identiques. L’air est un mélange : il contient des molécules de diazote, des molécules de dioxygène, des atomes d’argon et quelques molécules de dioxyde de carbone.

Exercice 11.11 ★★★

Un atome d’hydrogène mesure environ un dix-millionième de millimètre de diamètre. Combien d’atomes d’hydrogène, côte à côte, formeraient une ligne de $1\,\mathrm{cm}$ ? Et une ligne aussi longue qu’un terrain de football, $100\,\mathrm{m}$ ?

Solution

Solution de Exercice 11.11.

Dix millions d’atomes font $1\,\mathrm{mm}$ , donc $1\,\mathrm{cm}$ $= 10\,\mathrm{mm}$ en demande $10 \times$ dix millions $=$ cent millions d’atomes. $100\,\mathrm{m} = 100\,000$ mm en demande $100\,000\times$ dix millions $=$ un million de millions d’atomes.

Exercice 11.12 ★★★

Le glucose, le sucre qui nourrit nos cellules, a pour formule $\ce{C6H12O6}$ . Combien d’atomes une molécule de glucose contient-elle ? Quel pourcentage d’entre eux sont des atomes d’hydrogène ? Quel pourcentage sont des atomes de carbone ?

Solution

Solution de Exercice 11.12.

$6 + 12 + 6 = 24$ atomes. Hydrogène : $\frac{12}{24} = 50\,\%$ . Carbone : $\frac{6}{24} = 25\,\%$ (et oxygène les $25\,\%$ restants).

11.6 Problème : les atomes d’un souffle

Problème 11.1

Problème du week-end — compter les atomes d’une bouffée d’air, avant et après son passage dans nos poumons

Le diazote traverse les poumons sans changer : il fait donc un bon étalon. Dans l’air sec, pour 78 molécules de diazote, il y a environ 21 molécules de dioxygène et 1 atome d’argon : 100 particules (molécules ou atomes isolés) en tout. Dans l’air expiré, une fois sa vapeur d’eau retirée, les mêmes 78 molécules de diazote sont accompagnées d’environ 16 molécules de dioxygène, 4 molécules de dioxyde de carbone et 1 atome d’argon.

Partie I — L’air que nous inspirons.

Écris les formules des molécules de diazote, de dioxygène et de dioxyde de carbone, et donne le nombre d’atomes de chacune.
L’argon est compté en atomes, et non en molécules. Que nous apprend ce fait sur l’argon ?
Dans ces 100 particules d’air inspiré, combien y a-t-il d’atomes d’azote ? Combien d’atomes d’oxygène ?
Combien d’atomes y a-t-il en tout dans ces 100 particules ?
Quel pourcentage de ces atomes sont des atomes d’azote ? Arrondis à l’unité.

Partie II — L’air que nous expirons.

Dans l’air expiré qui accompagne les mêmes 78 molécules de diazote, combien y a-t-il d’atomes d’oxygène dans les molécules de dioxygène ? Dans les molécules de dioxyde de carbone ? En tout ?
Compare avec la question 3. Combien d’atomes d’oxygène manque-t-il ? Dans quelle molécule, fabriquée dans le corps avec l’hydrogène des aliments et retirée ici avec la vapeur d’eau, sont-ils partis ?
Combien y a-t-il d’atomes de carbone dans l’air inspiré ? Dans l’air expiré ?
L’air n’apporte aucun atome de carbone dans les poumons. D’où peuvent venir les atomes de carbone du souffle ? (Pense à ce que le corps utilise pour vivre.)
Combien de molécules de dioxygène ont disparu, et combien de molécules de dioxyde de carbone sont apparues ?

Partie III — Le bilan.

Décris le modèle éclaté de chacune des quatre sortes de particules de l’air expiré, avec les couleurs des boules (l’argon est représenté par une seule boule bleu pâle).
Combien y a-t-il d’atomes en tout dans l’air expiré séché ? De combien d’atomes dépasse-t-il l’air inspiré ? Explique la différence à l’aide des atomes de carbone gagnés et des atomes d’oxygène manquants.

Solution

Solution de Problème 11.1.

1. Diazote $\ce{N2}$ , 2 atomes ; dioxygène $\ce{O2}$ , 2 atomes ; dioxyde de carbone $\ce{CO2}$ , 3 atomes.

2. Les atomes d’argon ne s’assemblent pas en molécules : l’argon est fait d’atomes isolés.

3. Azote : $78 \times 2 = 156$ atomes. Oxygène : $21\times 2 = 42$ atomes.

4. $156 + 42 + 1 = 199$ atomes.

5. $\frac{156}{199} \approx 0.78$ , soit environ $78\,\%$ .

6. Dans les molécules de dioxygène : $16\times 2 = 32$ ; dans les molécules de dioxyde de carbone : $4 \times 2 = 8$ ; en tout $32 + 8 = 40$ .

7. Il manque $42 - 40 = 2$ atomes d’oxygène : l’équivalent d’une molécule de dioxygène. Ils sont partis dans des molécules d’eau, $\ce{H2O}$ , que le corps fabrique avec l’hydrogène de ses aliments ; cette eau sort en partie sous forme de vapeur d’eau dans le souffle (retirée dans ces chiffres).

8. Air inspiré : 0. Air expiré : 4 (un dans chaque $\ce{CO2}$ ).

9. Des aliments que le corps utilise : les sucres et les graisses contiennent des atomes de carbone, et le corps les rejette dans le dioxyde de carbone qu’il expire.

10. $21 - 16 = 5$ molécules de dioxygène ont disparu et 4 molécules de dioxyde de carbone sont apparues.

11. Diazote : deux boules bleues reliées par trois bâtonnets. Dioxygène : deux boules rouges reliées par deux bâtonnets. Dioxyde de carbone : une boule noire entre deux boules rouges, chacune reliée à elle par deux bâtonnets, en ligne droite. Argon : une seule boule bleu pâle.

12. $156 + 32 + 12 + 1 = 201$ atomes (les 4 molécules de dioxyde de carbone contiennent 12 atomes). C’est $201 - 199 = 2$ atomes de plus que l’air inspiré : 4 atomes de carbone gagnés grâce aux aliments, moins les 2 atomes d’oxygène partis dans l’eau.

Termes définis dans ce chapitre

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