Les entités composant les espèces chimiques et l'électroneutralité
Une espèce chimique est un ensemble de nombreuses entités identiques qu'on appelle entités chimiques qui peuvent être principalement des atomes, des ions ou des molécules. Ces dernières sont définies à l'aide de l'écriture conventionnelle des éléments chimiques. Les composés ioniques permettent d'illustrer le phénomène de l'électroneutralité de la matière, fondamental à cette échelle.
Les entités chimiques
Le terme « espèce chimique » est une appellation générique se référant à un ensemble d'entités chimiques identiques. Les atomes, les ions et les molécules constituent les principales entités chimiques à l'échelle microscopique.
Atome
L'atome est le constituant fondamental de la matière. Il est électriquement neutre. On peut trouver les symboles des atomes dans le tableau périodique des éléments chimiques.
Un échantillon de fer ne contient que des atomes de fer, dont le symbole est \text{Fe}.
Molécule
Une molécule est un assemblage d'atomes liés entre eux, elle est électriquement neutre. La formule brute d'une molécule s'obtient en accolant les formules des atomes qui la composent et en indiquant leur nombre (« 1 » étant excepté).
La molécule d'eau est formée par deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène, sa formule brute est donc \ce{H2O}.
Ion
Un ion est l'espèce formée lorsqu'un atome ou une molécule a perdu ou gagné des électrons. On distingue :
- les cations formés par une perte d'électrons, porteurs d'une charge positive ;
- les anions formés par un gain d'électrons, porteurs d'une charge négative.
On indique la formule d'un ion avec le nom de l'élément et sa charge électrique en haut à droite.
Le sel de cuisine contient des cations (les ions sodium de formule {\ce{Na^{+}}}) et des anions (les ions chlorure de formule {\ce{Cl^{-}}}).
L'élément chimique
Un élément chimique, définit par une écriture conventionnelle, regroupe toutes les entités ayant le même numéro atomique Z.
Élément chimique
Un élément chimique regroupe toutes les entités chimiques ayant le même numéro atomique Z.
L'écriture conventionnelle d'une entité permet de définir l'élément chimique correspondant.
L'écriture conventionnelle du fluor est : \ce{_9^{19}F}
Les entités chimiques « atome de chlore » (\ce{Cl}) et « ion chlorure » (\ce{Cl^-}) correspondent au même élément chimique : le chlore.
Corps simples
Les corps simples sont composés d'un seul élément chimique, contrairement aux corps composés.
Le dioxygène \ce{O2}, composé uniquement d'Oxygène, est un corps simple alors que l'eau \ce{H2O} est un corps composé.
L'électroneutralité ionique
La matière à l'échelle macroscopique est généralement neutre, c'est-à-dire que la matière n'est pas chargée électriquement. Pour assurer l'électroneutralité d'un composé ionique, les charges positives des cations et les charges négatives des anions qui le composent se compensent.
Les composés ioniques sont électriquement neutres car les cations et anions qui les constituent sont dans des proportions telles qu'il y a autant de charges positives que négatives.
Dans le chlorure de magnésium \ce{MgCl2}, on trouve deux fois plus d'ions chlorure \ce{Cl^{-}} que d'ions magnésium \ce{Mg^{2}^+}. En effet, la charge électrique de l'ion magnésium \ce{Mg^{2}^+} est deux fois positive alors que celle de l'ion chlorure \ce{Cl^{-}} est une fois négative. Soit une proportion en solution de 1 \ce{Mg^{2}^+} pour 2 \ce{Cl^{-}} afin d'assurer la neutralité du composé ionique.
La formule des composés ioniques doit rendre compte de cette électroneutralité et indique donc les proportions des cations et anions.
Le chlorure de magnésium solide, de formule brute \ce{MgCl2_{(solide)}}, est constitué d'un ion \ce{Mg^{2}^+} et de deux ions \ce{Cl-}. Cette proportion de magnésium pour deux atomes de chlore est due aux charges que porte chacun des ions.
L'atome et son noyau
L'atome est constitué de particules fondamentales. Ces particules permettent de définir l'écriture conventionnelle d'un noyau. Elles mettent en évidence les différences de taille et de répartition de la masse et de la charge au sein même de l'atome.
Les particules fondamentales de l'atome
L'électron, le proton et le neutron sont les particules fondamentales de la matière.
Noyau
Le noyau atomique est au centre de l'atome et porte sa charge positive.
« e » est la charge électrique élémentaire : \text{e}=1{,}60.10^{-19} C
L'écriture conventionnelle et la composition du noyau atomique
Le nombre de masse, le numéro atomique et le symbole de l'élément chimique permettent de définir l'écriture conventionnelle d'un noyau d'atome.
L'écriture conventionnelle d'un noyau est liée à sa composition :
Le noyau de l'atome de fluor est composé de 9 protons et 10 neutrons, son écriture conventionnelle est donc \ce{_9^{19}F}.
Étant neutre, la composition d'un atome \ce{^{A}_{Z}X} est donc :
- Z protons ;
- A – Z neutrons ;
- Z électrons.
Un atome de sodium \ce{^{23}_{11}Na}. Son numéro de masse A=23 et son numéro atomique Z=11 nous donnent sa composition :
- 11 protons ;
- 23-11=12 neutrons ;
- 11 électrons.
La comparaison des tailles et des masses de l'atome et du noyau
Essentiellement constituée de vide, la taille d'un atome est due à la répulsion électrique entre le noyau et les électrons. Sa masse est déterminée par la répartition des particules fondamentales qui le composent.
Les ordres de grandeur de l'atome et de son noyau
Un atome est environ 100 000 fois plus grand que son noyau.
L'ordre de grandeur de la taille de l'atome est de 0,1 nm (10^{-10}\text{ m}) alors que celui de son noyau est de 1 fm (10^{-15}\text{ m}) : le noyau est donc environ 100 000 fois plus petit que l'atome.
La répartition de la masse dans un atome
La masse d'un atome est répartie entre son noyau et son cortège électronique. Cependant, la masse des électrons est négligeable devant la masse du noyau.
La masse des électrons est négligeable devant celle des nucléons.
La masse d'un atome est donc concentrée dans son noyau.
Les protons et neutrons ont quasiment la même masse :
\bf{m_{\text{nucléon}}=1{,}7.10^{-27}\text{ kg}}
La masse approchée d'un atome est donc déduite de son nombre de nucléons avec la relation :
\bf m_{\text{atome}}=A\times m_{\text{nucléon}}
L'écriture conventionnelle d'un atome de fluor étant \ce{^{19}_{9}F}, sa masse approchée est :
m_{\text{F}}=A\times m_{\text{nucléon}}\\m_{\text{F}}=19\times 1{,}7.10^{-27}\\m_{\text{F}}=3{,}2.10^{-26}\text{ kg}