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Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamental

Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 9 Chapitre 1 NOTIONS FONDAMENTALES DE LA CHIMIE Avogadro Avogadro Avogadro Avogadro Dalton Dalton Dalton Dalton J J J Jean marie ean marie ean marie ean marie Lehn Lehn Lehn Lehn Amedeo Avogadro Amedeo Avogadro Amedeo Avogadro Amedeo Avogadro John Dalton John Dalton John Dalton John Dalton Jean Jean Jean Jean- - - -Marie Lehn Marie Lehn Marie Lehn Marie Lehn Avogadro, Amedeo Di Quaregna e Ceretto, Avogadro, Amedeo Di Quaregna e Ceretto, Avogadro, Amedeo Di Quaregna e Ceretto, Avogadro, Amedeo Di Quaregna e Ceretto, comte comte comte comte (1776-1856). Chimiste et physicien italien Sa célèbre loi formulée en 1811(deux gaz de volumes identiques pris dans les mêmes conditions de température et de pression renferment le même nombre de molécules), acceptée définitivement en 1850. Dalton Dalton Dalton Dalton,J ,J ,J ,J (1766-1844) Chimiste et physicien britannique, fondateur de la théorie atomique (1803), base de la chimie et physique contemporaine puis la loi des pressions partielles des mélanges gazeux. Il est décoré par une médaille d’or en 1826. Lehn Lehn Lehn Lehn, J.M. J.M. J.M. J.M. né en 1939. Chimiste français, chercheur au CNRS à l’université de Strasbourg, Prix Nobel 1987 pour ses travaux de la mise en évidence des supramolécules. En 1968, il synthétisa des molécules tridimensionnelles creuses, les cryptandes. Il ouvre la voie ensuite à une chimie nouvelle et interdisciplinaire, basée sur les liaisons intermoléculaires non-covalentes. Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 10 LA MATIERE 1. Aspect macroscopique 2. Propriétés physiques 3. Notions d’élément, d’atome, de molécule, de supramolécule 4. Structure de l’atome 5. Quantité de matière 1 ASPECT MACROSCOPIQUE La matière apparaît en un corps pur ou à l’état de mélange. Le corps pur se présente en corps simple (H2, O2, N2, Fe, Ca,…), un corps composé (H2O, CO2, Na2CO3…) ou un corps complexe (ADN, ARN, lipides, protides…). Le mélange est composé de 2 corps au moins (l’eau salée, l’eau sucrée, le sang…) 1.1 Notion de corps simple et composé Un corps simple est chimiquement pur. La matière qui le compose est une seule espèce chimique distinguée par les propriétés physico – chimiques telles que la densité, les températures de fusion et d’ébullition, l’odeur, la couleur etc….. Le corps composé est formé de corps simples. L’eau pure est une substance naturelle formée à partir de l’hydrogène et de l’oxygène liés chimiquement. 2g de H2 et 16 g de O2 forment une mole d’eau. Autrement dit, l’eau est formée exactement d’un rapport bien déterminé en hydrogène et en oxygène. Un corps pur composé peut se décomposer en corps purs simples (réactions 1, 2 et 3) ou se composer à partir des corps simples suivant les réactions de synthèse (réactions 1’ 2’ et 3’). H2O H2 + ½ O2 (1) H2 + ½ O2 H2O (1’) CO2 C + O2 (2) C + O2 CO2 (2’) H2S S + H2 (3) S + H2 H2S (3’) 1.2 Notions de mélanges Un mélange est formé d’un corps pur auquel est associé un ou plusieurs corps de nature différente. L’eau salée est un mélange homogène. Cette solution ou mélange est formé d’eau pure (H2O) et du sel (NaCl), on dit qu’il est homogène à cause de la répartition uniforme du corps dissout dans chaque point du volume du mélange. A la différence, le mélange hétérogène a la composition non uniforme dans tout le volume de la solution. Dans ce cas, les espèces présentent généralement des interfaces. Ils peuvent êtres séparés au moyen des procédés de séparation qui se résument en la distillation, l’évaporation, la cristallisation pour les mélanges homogènes et la décantation, la filtration, la flottation, la centrifugation, la sédimentation pour les mélanges hétérogènes. Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 11 huile eau + Sucre eau a- Mélange homogène b- Mélange hétérogène Figure 1 : Présentation des mélanges 2- PROPRIETES PHYSIQUES La matière peut exister dans différents états physiques à savoir l’état solide, l’état liquide, gazeux ou vapeur et l’état de plasma. L’eau par exemple peut se trouver en solide (à 0°C) en liquide (de 0 à 100°C) et à l’état vapeur (au-dessus de 100°C). Les points 0°, 100° représentent les points d’équilibre entre deux états (solide – liquide et liquide – vapeur). 2.1 l’état solide: Le solide se présente sous deux formes ; cristalline (fig.a) et amorphe (fig.b). Dans l’état cristallisé, les atomes sont légèrement agités mais très ordonnés. Ils sont stables aux environs du zéro absolu (0 K). Dans l’état amorphe, par contre, les atomes ne sont pas ordonnés d’une manière générale, ils peuvent l’être dans un environnement très proche. Les cristaux sont constitués de mailles élémentaires (édifices) qui se manifestent dans sept systèmes cristallins (voir chap.10). Ils sont visibles aux rayons X. En revanche, les solides amorphes n’y sont pas. La maille est représentée par le volume élémentaire défini par les paramètres de maille (axes et angles) comme on peut le voir sur la figure 3. . a) b) Figure 2 : aspect microscopique du solide Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 12 c α β a γ b Figure 3 : maille élémentaire 2.2 L’état liquide Les atomes dans les solutions liquides sont plus agités que dans l’état solide. Cette agitation est fonction de la température ou plutôt, l’état existe en tant que tel dans une plage de température donnée. L’agitation des atomes et molécules est un paramètre déterminant de l’état physique de la matière. Les liquides se présentent sous 2 corps différents : les liquides polaires (ex : l’eau) et les liquides apolaires (les hydrocarbures). La polarité des liquides dépend de la polarité des liaisons qui forme la molécule correspondante (voir chapitre 9). 2.3 L’état vapeur, gazeux Dans cet état les atomes et molécules sont excessivement agités donc très désordonnés. Ils occupent un très grand volume. Dans les conditions normales de température et de pression, une mole de gaz occupe un volume de 22,4 litres et contient 6,023.1023 molécules. 2.4 L’état de plasma Dans cet état le modèle atomique est inexistant. Les constituants de l’atome se trouvent dans un état chaotique, les électrons, les protons et les neutrons sont mélangés. Cet état apparaît à de très hautes températures (20 millions de degré). 3- NOTION D’ELEMENT, DE NUCLEIDE, D’ATOME ET DE MOLECULE 3.1 L’élément L’élément est une espèce chimique qui se subdivise en petites particules infiniment petites et identiques ou semblables dites atomes. Ces atomes et leurs ions correspondants sont caractérisés par le même nombre de charge Z. L’oxygène-16, l’oxygène-17 et l’oxygène-18 forment ensemble l’élément oxygène représenté par le symbole atomique O ou par la molécule O2. Paramètres de mailles Axe : a, b, c Angle : α, β, γ Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 13 Elément or (Mine d'or, Afrique du Sud) Elément cuivre (Minerais Cu) A titre d’exemple, on cite certains éléments qui ont une importance capitale dans la vie de l’homme, le carbone (C), l’or (Au), silicium (Si), l’azote (N2). Certains parmi eux existent dans des formes allotropiques (structures cristallographiques) différentes, tel est le cas du carbone qui se présente en graphite, en diamant et aussi en fullerène (C60). Pour une simplicité de représentation, on adopte forme atomique (cas du tableau périodique). Toutefois un sens abstrait est ressenti car il regroupe la notion d’atome, de corps simple et des isotopes. Toutefois la notion substantielle est la plus valide car la différence entre éléments passe par les propriétés physico-chimiques le caractérisant à savoir la couleur, l’odeur, les températures de fusion et d’ébullition, la masse volumique ou densité etc…) Figure 4: Formes allotropiques du carbone Structure de la matière Ramdane Benazouz / 2009 Chapitre 1: Notions fondamentales 14 Ainsi pour : O2 : l’élément oxygène (01 seul élément) CH4 : le méthane (02 éléments : le carbone et l’hydrogène) S : 01 élément, O3 : l’ozone (01 élément : l’oxygène) 3.2 Le nucléide L’ensemble des noyaux dont le nombre de nucléons est identique est dit nucléide. Autrement dit, le groupe d’atomes qui possèdent des noyaux similaires. L’oxygène -17 représente tous les atomes ayant dans le noyau 8 protons et 9 neutrons. Donc ils ont le même A et le même Z et symbolisé par : O 17 8 . Des 112 éléments on dénombre 2900 nucléides stables ou radioactifs. Les nucléides qui se rapprochent par la masse et appartiennent à la même espèce chimique (élément) sont des isotopes. Dans le cas où la masse est inchangée tout en appartenant à des espèces différente on les appelle des nucléides isobares. Exemples : H 1 1 H 2 1 H 3 1 isotopes (01 élément : hydrogène) Sn 122 50 Sb 122 51 Te 122 52 isobares (03 éléments différents) 3.3 L’atome L’atome du grec atomos, qui veut dire : particule insécable, qui compose l’élément ou le corps simple. L’atome a une masse de l’ordre de 10-26 kg et un rayon de l’ordre de 1Ǻ Il était considéré comme la plus petite uploads/s3/ chap1str-pdf.pdf