Notions de Chimie : Atomes, Molécules et Matériaux

Composition de l'Air

L'air que nous respirons est composé de :

• Environ 20 % de dioxygène (O₂)
• Environ 79 % de diazote (N₂)
• Environ 1 % d'argon (Ar), un gaz noble, et d'autres gaz en traces.

Phénomènes Physiques

Pourquoi l'eau s'évapore-t-elle ?

Le soleil fait monter la température (temp) et le vent (déplacement de masses d'air) agite les molécules d'eau. Cette agitation accrue leur permet de passer de l'état liquide à l'état gazeux. C'est ainsi que la vapeur d'eau est formée.

Pourquoi les atomes de sel ne s'évaporent-ils pas facilement ?

Le sel de table (chlorure de sodium) est un composé ionique. Les fortes attractions entre les ions sodium (Na⁺) et chlorure (Cl⁻), ainsi que leur masse, ne leur permettent pas de s'évaporer facilement comme l'eau dans des conditions normales.

Échelles de Température

• Celsius (°C) : Basée sur le point de congélation (0 °C) et le point d'ébullition (100 °C) de l'eau à pression atmosphérique standard. La température minimale théorique est de -273,15 °C (zéro absolu).
• Fahrenheit (°F) : Une échelle notamment utilisée aux États-Unis. La conversion est : T(°C) = 5/9 * (T(°F) - 32). Par exemple, 212 °F équivaut à 100 °C, et 98.6 °F est environ 37 °C.
• Kelvin (K) : L'échelle de température absolue, directement liée à l'agitation thermique des particules. Au zéro absolu (0 K), il n'y a théoriquement plus de mouvement au niveau atomique. La conversion est : T(K) = T(°C) + 273,15.

Structure Atomique et Réactions

Formation du Sel (Chlorure de Sodium)

En mélangeant du sodium (Na) et du dichlore (Cl₂), on obtient du sel (NaCl).

Pourquoi ?

Les atomes de chlore ont tendance à gagner un électron, tandis que les atomes de sodium ont tendance à en perdre un. Le sodium perd un électron et devient un ion positif (Na⁺), le chlore gagne cet électron et devient un ion négatif (Cl⁻). Ces ions de charges opposées s'attirent fortement pour former un cristal ionique : le sel.

Les neutrons dans le noyau atomique servent à stabiliser celui-ci. Sans neutrons, les protons (charges positives) se repousseraient fortement, et le noyau serait instable.

Notation Atomique

On représente un atome par le symbole :

     A
      X
     Z
    

• X : Symbole chimique de l'élément
• Z : Numéro atomique (nombre de protons)
• A : Nombre de masse (nombre de nucléons = protons + neutrons)

Photosensibilité

La photosensibilité est la propriété de certains matériaux à réagir à la lumière. Par exemple, certains composés d'argent forment un précipité blanc qui noircit lorsqu'il est exposé aux rayons ultraviolets (UV), laissant une marque.

Répartition des Électrons et Énergie d'Ionisation

On peut élucider la répartition des électrons dans un atome grâce aux énergies d'ionisation.

L'énergie d'ionisation est l'énergie qu'il faut fournir à un atome pour lui arracher un électron. Elle aide à comprendre où se situent les électrons :

• Il faut plus d'énergie pour extraire les électrons proches du noyau (fortement attirés) que ceux qui en sont éloignés.

Couches Électroniques

Pour chaque famille d'éléments chimiques (colonne du tableau périodique), on constate que le point commun entre ces atomes est leur couche électronique externe (ou couche de valence). Elle comporte en effet le même nombre d'électrons, ce qui explique leurs propriétés chimiques similaires.

Exemple de remplissage des couches pour un atome (comme le Sodium, Na, Z=11) :

• Couche K : 2 électrons
• Couche L : 8 électrons
• Couche M : 1 électron

La structure électronique d'un atome résulte de l'équilibre entre deux forces : l'attraction des électrons par le noyau (positif) et la répulsion des électrons entre eux (négatifs).

Expérience de Rutherford

Dans cette expérience célèbre, on bombarde une feuille d'or ultra-fine avec des particules alpha (α). Observations :

• La majorité des particules traversent la feuille d'or sans déviation notable.
• Certaines particules sont légèrement déviées.
• Quelques rares particules sont fortement déviées, voire rejetées en arrière.

Conclusions : L'atome est principalement constitué de vide, avec une charge positive très concentrée dans un petit noyau dense.

Matériaux du Futur

• Rembourrage pour combinaisons spatiales : Fabriqués à partir de polymères (aérogels) résistants à la chaleur, ces nouveaux matériaux sont si flexibles qu'ils peuvent être pliés.
• Batteries "perpétuelles" : Une équipe de chercheurs de Stanford a créé une nouvelle classe d'anode formée de nanotubes de silicium, entourés de couches perméables d'oxyde de silicium, visant une durée de vie très longue.
• Acier conçu par ordinateur : Le groupe de Gregory B. Olson a créé deux alliages d'acier inoxydable qui n'ont pas besoin d'un blindage de cadmium pour se protéger de la corrosion.