Les atomes et les molécules en 3ᵉ : cours, exercices et méthode pour le brevet

Entrer dans l’infiniment petit

Toute matière est constituée d’entités microscopiques, trop petites pour être observées directement à l’œil nu. Une goutte d’eau, un morceau de cuivre ou l’air d’une salle contiennent un très grand nombre de ces entités. Pour expliquer les propriétés visibles de la matière, le chimiste utilise donc un modèle à l’échelle microscopique. Ce modèle ne montre pas ce que tu vois réellement avec une loupe : il sert à représenter et à raisonner. Une espèce chimique est un ensemble d’entités chimiques identiques. L’eau pure est une espèce chimique constituée de molécules d’eau. Le cuivre est une espèce chimique constituée d’atomes de cuivre. Le dioxygène de l’air est une espèce chimique constituée de molécules de dioxygène. Ne confonds pas la substance observée et les entités qui la composent : l’eau est un liquide dans certaines conditions, mais une molécule d’eau n’est pas « liquide ». Elle fait partie d’un ensemble de molécules dont l’organisation explique l’état observé. Dans un solide, les entités restent proches et très organisées. Dans un liquide, elles restent proches mais peuvent se déplacer les unes par rapport aux autres. Dans un gaz, elles sont très éloignées et se déplacent dans toutes les directions. Le changement d’état ne crée pas de nouvelles molécules si aucune transformation chimique n’a lieu : seules leur agitation et leur organisation changent. Garde ce premier repère pour toute la suite : une observation à notre échelle peut s’expliquer par la nature, le nombre, l’agitation et l’organisation des entités microscopiques.

Les briques de la matière : vocabulaire précis

Comprendre la structure d’un atome

Un atome est constitué d’un noyau central et d’électrons qui se trouvent autour de ce noyau. Le noyau contient des protons, chargés positivement, et généralement des neutrons, qui ne portent pas de charge électrique. Les électrons portent une charge négative. La presque totalité de la masse de l’atome est concentrée dans son noyau ; l’atome est donc en grande partie constitué de vide. Chaque élément chimique est caractérisé par son nombre de protons. Un atome qui possède un proton dans son noyau est un atome d’hydrogène. Un atome qui possède six protons est un atome de carbone. Un atome qui possède huit protons est un atome d’oxygène. Tu peux donc reconnaître l’élément grâce au nombre de protons, jamais grâce au nombre de neutrons. Le symbole chimique abrège le nom d’un élément : H désigne l’hydrogène, C le carbone, O l’oxygène, N l’azote, Cl le chlore et Na le sodium. La première lettre du symbole est une majuscule. S’il existe une deuxième lettre, elle est obligatoirement minuscule : Co et CO ne signifient pas la même chose. Un atome est électriquement neutre seulement si son nombre d’électrons est égal à son nombre de protons. Les charges positives des protons compensent alors les charges négatives des électrons. Par exemple, un atome ayant huit protons et huit électrons est neutre. Si le nombre d’électrons change, l’entité n’est plus un atome neutre : elle devient un ion. Le nombre de neutrons peut varier pour un même élément ; cela ne modifie pas l’identité chimique de l’atome, car son nombre de protons reste identique. Au brevet, lorsque tu dois décrire un atome, rédige avec les mots exacts : noyau, protons, neutrons et électrons. Évite la formule vague « des petites boules » : elle ne prouve pas que tu maîtrises le modèle.

Règle de lecture d’une formule chimique

Lire une formule sans perdre de points

• Repère chaque symbole chimique. Une majuscule annonce un nouvel élément ; une minuscule complète parfois le symbole précédent. Ainsi, Cl est le chlore, alors que C puis O correspondent au carbone et à l’oxygène.
• Lis l’indice associé à chaque symbole. L’indice ne concerne que le symbole juste avant lui, sauf lorsqu’il suit une parenthèse dans une formule plus complexe.
• Attribue mentalement le nombre 1 à tout symbole qui ne porte pas d’indice. Dans NH₃, il y a un atome d’azote et trois atomes d’hydrogène.
• Distingue le coefficient de l’indice. Dans 3 H₂O, le coefficient 3 signifie trois molécules d’eau. Au total, cela représente six atomes d’hydrogène et trois atomes d’oxygène.
• Quand une parenthèse est suivie d’un indice, cet indice multiplie tous les atomes placés dans la parenthèse. Dans Ca(OH)₂, le groupe OH est présent deux fois : il y a un atome de calcium, deux atomes d’oxygène et deux atomes d’hydrogène.
• Annonce toujours l’échelle de ton résultat. H₂O ne signifie pas « deux hydrogènes et un oxygène » dans un bécher : cela décrit la composition d’une seule molécule. Pour un ion, indique aussi sa charge : NH₄⁺ est un ion composé d’un atome d’azote et de quatre atomes d’hydrogène, de charge positive 1.

Molécules, ions et transformations

Une molécule est un assemblage d’atomes liés entre eux et électriquement neutre. Elle peut être formée d’atomes identiques, comme la molécule de dioxygène O₂, ou d’atomes différents, comme l’eau H₂O et le dioxyde de carbone CO₂. Une formule moléculaire indique quels éléments sont présents et combien d’atomes de chaque élément constituent une molécule. Elle ne renseigne pas directement sur la forme de la molécule ni sur son état physique. Par exemple, le dioxygène est constitué de molécules O₂, mais l’oxygène présent dans l’eau H₂O n’est pas du dioxygène : ce sont des espèces chimiques différentes, car les atomes ne sont pas assemblés de la même manière. Un ion est une entité chargée électriquement. Il se forme lorsqu’un atome, ou un groupe d’atomes, perd ou gagne un ou plusieurs électrons. S’il perd des électrons négatifs, il possède davantage de charges positives que négatives : c’est un ion positif, appelé cation. L’ion sodium Na⁺ provient d’un atome de sodium qui a perdu un électron. S’il gagne des électrons, il possède un excès de charges négatives : c’est un ion négatif, appelé anion. L’ion chlorure Cl⁻ provient d’un atome de chlore qui a gagné un électron. Certains ions sont formés de plusieurs atomes : l’ion sulfate SO₄²⁻ contient un atome de soufre et quatre atomes d’oxygène ; l’ion ammonium NH₄⁺ contient un atome d’azote et quatre atomes d’hydrogène. Le signe + ou − placé en haut à droite indique la charge de l’ion ; il ne faut jamais le confondre avec un indice. Cl⁻ est un ion chlorure, tandis que Cl₂ serait une entité contenant deux atomes de chlore. Lors d’une transformation chimique, les espèces chimiques initiales disparaissent et de nouvelles espèces apparaissent. Les atomes, eux, sont conservés : ils se réorganisent. Cette conservation permet de vérifier une équation de réaction, à condition de compter chaque type d’atome avant et après la flèche. Dans une dissolution de sel dans l’eau, les ions déjà présents dans le solide se dispersent dans l’eau ; il ne s’agit pas nécessairement de fabriquer de nouveaux atomes. Observe le vocabulaire du document, puis choisis l’explication adaptée. C’est ton plan de jeu : identifier l’entité, lire sa formule, puis relier le modèle microscopique au phénomène observé.