MOLÉCULES GÉNÉRALITÉS QU'EST-CE QUE LA CHIMIE ?

MOLÉCULES GÉNÉRALITÉS QU'EST-CE QUE LA CHIMIE ? La chimie est la science de la matière et de ses transformations. La matière est composée de corps purs. La chimie étudie donc les transformations des différents types de matière, ou corps purs, leur composition, leur comportement déterminé par la composition, ainsi que la transformation d'un corps pur en un autre. Quand la matière se transforme, par suite de réactions chimiques, les corps purs les plus simples (corps simples) ainsi obtenus ne renferment qu'un seul élément. L'or, l'argent, le fer, l'hydrogène et l'oxygène sont des corps simples constitués uniquement de l'élément or, argent... Jusqu'à présent, environ 110 éléments différents, certains desquels relativement rares, ont été découverts dans la nature ou obtenus en laboratoire. L'atome est la particule la plus petite d'un élément qui possède toutes les propriétés chimiques typiques de cet élément. PROPRIÉTÉS CHIMIQUES ET PROPRIÉTÉS PHYSIQUES On entend par propriétés chimiques toutes les propriétés liées à la transformation d'un corps pur en un autre. Les propriétés physiques d'un corps pur sont, quant à elles, toutes les propriétés de ce corps pur qui ne sont pas liées à sa transformation en un autre corps pur. Les propriétés physiques de l'or sont, par exemple, son état solide, son point de fusion et sa densité. Le comportement de l'or dans une cuve électrolytique, en revanche, représente l'une de ses propriétés chimiques. Un atome d'or présente toutes les propriétés chimiques de l'or en tant qu'élément. Mais un atome d'or ne présente pas la couleur jaune et il ne fond pas. Cela est lié au fait que la plupart des propriétés physiques du corps pur sont des propriétés massives, c'est-à-dire qu'elles sont liées au comportement d'un nombre élevé d'atomes. COMPOSÉS Toute la matière est composée d'atomes. Un corps pur formé d'atomes d'au moins deux types différents est appelé composé. Un composé est une combinaison spécifique d'éléments combinés dans un rapport constant. Par exemple, l'eau est toujours constituée d'atomes d'hydrogène et d'oxygène, dans un rapport de deux atomes d'hydrogène par atome d'oxygène ; elle est donc un composé d'hydrogène et d'oxygène. Le sel de table, le chlorure de sodium, est un composé des éléments chlore et sodium, dans lequel le rapport entre les atomes de chlore et de sodium est toujours égal à un. QU'EST-CE QU'UNE MOLÉCULE ? 1 Les atomes différents d'un composé ne sont pas simplement mélangés entre eux, mais ils sont unis, exactement liés l'un à l'autre d'une façon spécifique. Dans de nombreux composés, les atomes sont liés entre eux de façon à former des groupes discrets et définis, appelés molécules. La molécule peut être considérée comme la particule la plus petite d'un composé qui en possède les propriétés chimiques. Nous pouvons parler d'une molécule d'eau, de méthane. Mais les molécules individuelles ne présentent pas nécessairement les mêmes propriétés physiques que le composé. Une molécule d'eau ne peut geler à 0 °C ou bouillir à 100 °C, car il s'agit là de propriétés massives qui sont liées à la coexistence de nombreuses molécules. L'eau gèle quand les molécules d'un échantillon qui en contient un nombre très élevé interagissent, donnant lieu à une structure rigide et ordonnée. Une molécule diatomique est une molécule formée de deux atomes seulement. La formule du monoxyde de carbone, un gaz très dangereux à inhaler, est CO. Chacune de ses molécules possède un atome de carbone et un atome d'oxygène. Une molécule polyatomique est formée de plus de deux atomes. Le préfixe polydérive en effet du mot grec qui signifie " beaucoup ". La formule du bioxyde de carbone est CO2. Il est formé de molécules contenant un atome de carbone et deux atomes d'oxygène. Il est donc constitué de molécules polyatomiques, dans ce cas de molécules triatomiques. Des combinaisons différentes des mêmes atomes déterminent la formation de molécules ayant des propriétés parfois très différentes entre elles. Il existe des molécules polyatomiques formées de nombreux atomes telles que, par exemple, l'oestradiol, une hormone féminine dont la formule est C18H24O2. Ses molécules sont donc formées de 18 atomes de carbone, 24 atomes d'hydrogène et 2 atomes d'oxygène. ISOMÈRES Il existe des composés ayant le même nombre d'atomes de chaque élément, disposés toutefois de façons différentes. Ces composés sont appelés isomères. Bien qu'ils soient formés des mêmes atomes, les isomères sont chimiquement très différents entre eux. L'alcool éthylique et l'éther éthylique sont formés des mêmes atomes : C2H6O, deux atomes de carbone, six atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène. Mais ces atomes sont liés ente eux de façon différente. Dans l'alcool éthylique, ils sont liés de la façon suivante : CH3-CH2-OH. Dans l'éther éthylique, ils sont liés de cette façon : CH3-O-CH3. Bien évidemment, ces deux composés ont des propriétés chimiques et physiques très différentes. L'isomérie, c'est-à-dire l'existence d'isomères, peut se manifester de façon différente. Deux des principales classes d'isomères sont les isomères de structure, dans lesquels les atomes sont liés entre eux de façon différente, précisément comme dans le cas de l'alcool et de l'éther éthylique. Il existe aussi des stéréo-isomères, autrement dit des isomères dans lesquels les atomes sont liés de la même façon mais selon une disposition spatiale ou " configuration " différente. Stéréo-isomères La stéréo-isomérie est la différence de configuration entre des composés de même composition dont les atomes peuvent adopter différentes dispositions dans 2 l'espace. On distingue deux types différents de stéréo-isomérie : optique et géométrique. On parle d'isomérie optique quand une molécule et son image dans un miroir ne sont pas superposables. Une molécule qui se distingue de celle qui constitue son image dans un miroir, de la même façon que la main gauche est distincte de la main droite, est appelée chirale. Les couples d'isomères optiques, tout comme les paires de mains, sont dit énantiomères. On parle d'isomérie géométrique quand il existe une configuration différente des liaisons. Par exemple, si nous considérons Pt(NH3)2Cl2, nous pouvons avoir un isomère dans lequel les ions chlorure sont proches les uns les autres comme les molécules d'ammoniac, NH3 : on l'appelle isomère cis. Dans l'autre isomère, appelé isomère trans, les liaisons identiques sont opposés l'un à l'autre. LA NOMENCLATURE CHIMIQUE De nombreux composés chimiques ont au moins deux noms. Le nom commun est celui qui est devenu familier dans l'usage quotidien. Ces noms sont entrés dans l'usage avant la découverte de la composition ou du composé. C'est le cas par exemple d'" eau ", de " sel ", de " sucre " ou de " quartz ". Le nom systématique est un nom composé sur la base de certaines règles, qui indique quels sont les éléments présents et, parfois, également la disposition des atomes. Le nom commun de sel, ou de sel de table, ne nous donne aucune information sur la nature du composé. Le nom systématique " chlorure de sodium ", en revanche, montre immédiatement qu'il s'agit d'un composé de chlore et de sodium. L'attribution de leur nom aux composés chimiques suit une procédure systématique, née d'un accord international entre chimistes, qui permet à une (et une seule) formule d'être associée à un nom donné. La dénomination systématique des composés suit les règles de la nomenclature chimique. Nomenclature des cations Les noms des cations, ions porteurs d'une charge positive, sont formés en mettant " ion " devant le nom de l'élément. Si un élément peut former plus d'un cation, comme c'est le cas du cuivre, qui forme aussi bien Cu+ que Cu2+, on utilise pour les distinguer un chiffre romain écrit entre parenthèses immédiatement après le nom. Par conséquent, Cu+ s'appelle ion cuivre (I) et Cu2+ s'appelle ion cuivre (II). Nomenclature des anions 3 Le nom des anions, lorsqu'il s'agit d'ions monoatomiques porteurs d'une charge négative s'obtient en ajoutant le suffixe -ure à la racine du nom de l'élément : ÉLÉMENT Fluor Chlore Azote RACINE FluorChlorAzot- ION Ion fluorure FIon chlorure ClIon azoture N3- La nomenclature des anions qui contiennent au moins un atome d'oxygène, les oxanions, a posé de nombreux problèmes à cause de leur grand nombre. Nous fournissons dans le tableau ci-après les noms et les symboles des oxanions les plus communs : ÉLÉMENT Carbone Soufre Chlore RACINE CarbonSulfChlor- OXANION Ion carbonate CO3 Ion sulfate SO42Ion chlorate ClO3- Un élément donné peut former des oxanions ayant un nombre d'atomes d'oxygène différent. Par exemple, l'azote forme NO2- et NO3-. Dans ces cas, l'ion ayant le plus grand nombre d'atomes d'oxygène prend le suffixe -ate, tandis que l'ion ayant le plus petit nombre d'atomes d'oxygène prend le suffixe -ite. ÉLÉMENT RACINE OXANION Azote Nitr- Soufre Sulf- Ion nitrate NO3Ion nitrite NO2Ion sulfate SO42Ion sulfite SO32- Le chlore forme différents oxanions : ion perchlorate ion chlorate ion chlorite ion hypochlorite ion chlorure ClO4ClO3ClO2ClO Cl - taux maximum d'oxygène taux minimum d'oxygène sans oxygène Certains oxanions importants contiennent aussi de l'hydrogène. Parmi ceux-ci, le plus commun est sans doute l'ion hydroxyde OH-. Il existe aussi des anions homologues d'oxanions mentionnés ci-dessus, dont le nom se forme en ajoutant " hydrogéno " au nom de l'oxanion : ion hydrogéno carbonate ion hydrogéno sulfate ion hydrogéno sulfite HCO3HSO4HSO3- (bicarbonate) (bisulfate) (bisulfite) Les noms entre parenthèses sont les vieux noms encore en usage. Quand deux atomes d'hydrogène sont présents, on ajoute le préfixe bi-, quand trois atomes sont présents on ajoute le préfixe tri-, etc. 4 Nomenclature des composés ioniques Le nom d'un composé ionique est formé à partir des noms des ions présents dans le composé, en omettant le nom " ion " et en ajoutant le nom de l'anion avant celui du cation. Le chlorure de sodium est un composé formé d'ions Na+ et Cl-, le nitrate d'ammonium est formé d'ions NH4+ et NO3- et le carbonate de calcium d'ions Ca2+ et CO32- Le chlorure de cuivre qui contient des ions Cu+ s'appelle chlorure de cuivre (I) et celui qui contient Cu2+ s'appelle chlorure de cuivre (II). Normalement, dans la nomenclature des composés ioniques, on n'utilise pas de préfixe. C'est ainsi qu'un composé tel que CuCl2 est appelé simplement chlorure de cuivre (II), et non pas bichlorure de cuivre. Les préfixes sont utilisés dans le cas des hydrates, composés inorganiques contenant des molécules d'eau présentes dans le solide. Par exemple, les cristaux bleus de sulfate de cuivre (II) ne sont pas formés seulement d'ions Cu2+ et SO42mais chaque paire d'ions est accompagnée de cinq molécules d'eau, H2O, et la formule globale s'écrit : CuSO45H2O, cet hydrate s'appelle sulfate de cuivre (II) pentahydrate. Nomenclature des composés moléculaires Le nom de nombreux composés moléculaires est conçu comme si le composé était ionique. Un composé binaire est un composé formé de deux éléments seulement, comme HCl, H2O et CO2. À quelques exceptions près, dans la formule moléculaire d'un composé binaire de l'hydrogène et d'un non-métal, l'hydrogène est écrit avant, tandis qu'il apparaît après dans le nom : chlorure d'hydrogène sulfure d'hydrogène On utilise les préfixes : trichlorure de phosphore hexaflorure de soufre oxyde de biazote pentoxyde de biazote HCl H2S PCl3 SF6 N2O N2O5 Acides Un acide est un composé contenant de l'hydrogène en mesure de libérer des ions H+ dans l'eau. HCl et H2S sont des exemples d'acides. Le nom des " halogénures d'hydrogène ", HF, HCl, HBr, HI, est formé comme celui des autres composés binaires de non-métaux : fluorure d'hydrogène, chlorure d'hydrogène et ainsi de suite. Toutefois, les solutions aqueuses de ces composés prennent des noms spéciaux formés du mot acide auquel on ajoute le suffixe -hydrique au nom de l'élément. C'est ainsi qu'une solution aqueuse d'HCl est appelée acide chlorhydrique. Ces acides sont les acides parents des halogénures, car lorsque l'ion hydrogène est libéré, les ions halogénures restent en solution. 5 ÉLÉMENT RACINE ION Brome Brom- Fluor Fluor- Iode Iod- ACIDE PARENT Ion Acide bromhydrique bromure BrHBr - Acide Ion fluorure F fluorhydrique HF Ion iodure IAcide iodhydrique HI Oxacides Ce sont des acides contenant de l'oxygène. Ces composés moléculaires sont les acides parents des oxanions, et ils sont constitués de molécules dans lesquelles toutes les charges négatives d'un oxanion sont équilibrées par des atomes d'hydrogène liés, comme dans H2SO4 et H3PO4. Le nom d'un oxacide est formé du nom acide suivi du nom de l'anion dans lequel le suffixe -ate est remplacé par le suffixe -ique. Par exemple, l'acide parent des carbonates est l'acide carbonique, H2CO3. S'il existe des oxanions ayant plusieurs atomes d'oxygène, les acides parents prennent le suffixe -ique, pour le plus grand nombre d'atomes d'oxygène, et -eux, pour le plus petit nombre d'atomes d'oxygène : acide sulfurique acide sulfureux H2SO4 H2SO3 2- acide parent de l'anion sulfate SO4 2acide parent de l'anion sulfite SO3 Pour le chlore, nous avons : ion perchlorate ClO4 ion chlorate ion chlorite ion hypochlorite ion chlorure ClO3 ClO2 ClO Cl- acide perchlorique acide chlorique acide chloreux acide hypochloreux acide chlorhydrique HClO4 HClO3 HClO2 HClO HCl taux maximum d'oxygène taux minimum d'oxygène sans oxygène LA LIAISON CHIMIQUE CONFIGURATION ÉLECTRONIQUE ET VALENCE Chaque atome a un numéro atomique Z et est constitué d'un noyau central, ayant Z protons de charge positive, entouré de Z électrons, de charge négative. La théorie de la mécanique quantique nous dit que, dans l'atome, les ondes associées à l'électron sont des ondes stationnaires. Chacune de ces formes d'onde, qui sont appelées orbitales, a une énergie caractéristique (voir Les électrons et leur distribution). Dans l'atome, les variations énergétiques sont simplement le résultat d'un transfert de l'électron d'un paquet d'onde, ayant une énergie donnée, à un autre paquet d'onde, ayant une énergie différente. 6 Les ondes des électrons sont appelées orbitales, chaque orbitale étant caractérisée par une énergie et une forme qui lui sont propres. Normalement, les atomes se trouvent dans leur état le plus stable, qui correspond à la situation où les électrons des atomes occupent les orbitales ayant la plus basse énergie possible. L'amplitude d'une onde, dans un point particulier, est liée à la probabilité d'y trouver un électron (voir orbitales probabilistes). Nombres quantiques Les ondes associées à l'électron (les orbitales) sont caractérisées par un ensemble de trois nombres quantiques entiers, n, l et m. Le nombre quantique n est dit nombre quantique principal : Il permet de définir, dans un premier temps, un niveau d'énergie pour toues les orbitales caractérisées par la même valeur de n. Ces valeurs sont des nombres entiers allant de n = 1 à n = ?. Le niveau n = 1 est appelé premier niveau ; le niveau n = 2, deuxième niveau. Ces niveaux sont aussi identifiés par des lettres majuscules. n niveau 1 K 2 L 3 M 4 N Le nombre quantique secondaire l, conduit à diviser le niveau d'énergie défini par une valeur de n, en plusieurs sous-niveaux d'énergie, chaque sous-niveau étant occupé par une partie des orbitales caractérisées par le nombre quantique principal n. Pour une certaine valeur du nombre quantique principal, n , le nombre quantique secondaire, l, peut prendre les valeurs entières de 0 à n - 1. Pour n = 1, l prend seulement la valeur 0. Pour n = 2, l prend les valeurs 0 et 1. Pour n = 3, l prend les valeurs 0, 1 et 2, et ainsi de suite. Chaque sous-niveau peut être identifié par une lettre minuscule. valeurs de l désignation littérale 0 s 1 p 2 d 3 f 4 g Tandis que le nombre quantique principal indique la dimension des orbitales, le nombre quantique secondaire détermine la forme de l'orbitale. Le nombre quantique magnétique m définit plusieurs orbitales caractérisées par les mêmes nombres quantiques n et l. Ce nombre quantique définit l'orientation des orbitales dans l'espace. Les valeurs de m, toutes entières, sont comprises entre -l et +l. Quand l = 0, m n'a que la valeur 0, de sorte qu'un sous-niveau s est formé d'une seule orbitale. Quand l = 1, les valeurs possibles de m sont : -1, 0, +1. Un sous-niveau p a donc trois orbitales. Quand l = 2, m peut prendre les valeurs -2, -1, 0, +1, +2. Le sous-niveau d a donc cinq orbitales. Toutes les orbitales caractérisées par les mêmes valeurs de n et de l sont au même sous-niveau d'énergie. valeur n valeur valeur m l sous-nive nombre au d'orbitales 1 2 0 0 1 0 1 1s 2s 2p 3s 3p 3 0 0 -1, 0, +1 0 -1, 0, +1 1 1 3 1 3 7 4 2 0 1 2 3 -2, -1, 0, +1, +2 0 -1, 0, +1 -2, -1, 0, +1, +2 -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 3d 4s 4p 4d 4f 5 1 3 5 7 Les électrons se comportent comme de très petits aimants, et chaque électron est doté d'un nombre quantique de spin ms, appelé quatrième nombre quantique, qui ne peut prendre que deux valeurs : +1/2 ou -1/2. D'après le principe d'exclusion de Pauli, il ne peut y avoir dans un même atome deux électrons ayant des valeurs identiques pour les quatre nombres quantiques. Ce principe limite donc à deux le nombre d'électrons pour chaque orbitale, ces électrons devant aussi être caractérisés par des spins opposés. La configuration électronique d'un atome s'obtient en remplissant successivement d'électrons les orbitales disponibles de niveaux d'énergie croissants, en respectant le principe d'exclusion de Pauli et en remplissant d'électrons, dans la mesure du possible, toutes les orbitales situées au même niveau d'énergie avant de remplir les orbitales de niveau d'énergie supérieur. H He Li Be B C Z=1 Z=2 Z=3 Z=4 Z=5 Z=6 1s1 1s2 1s2 2s1 1s2 2s2 1s2 2s2 2p1 1s2 2s2 2p2 Quand les électrons prennent place dans une série d'orbitales ayant la même énergie, c'est-à-dire dans le même sous-niveau, ils se distribuent de façon à occuper le m...