Atomes, molécules et ions : cours de CAP

Dans le chapitre précédent, tu as appris à distinguer un corps pur d'un mélange. Tu as vu que l'eau, le sel ou le sucre sont des corps purs, alors que l'air ou une boisson sont des mélanges. Une question reste ouverte : de quoi est fait un corps pur, lorsqu'on regarde de très près ?

La chimie répond en changeant d'échelle. Au lieu de regarder un verre d'eau, on s'intéresse aux minuscules éléments qui le composent. Trois mots reviennent sans cesse : atome, molécule et ion. Ils paraissent proches, mais ils désignent des choses différentes, et les confondre est la source d'une bonne partie des erreurs en physique-chimie.

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• dire ce qu'est une molécule et la reconnaître à sa formule ;
• compter les atomes qui la composent ;
• définir un ion, distinguer un cation d'un anion ;
• comprendre pourquoi un sel comme le sel de cuisine est neutre alors qu'il est fait d'ions ;
• expliquer ce qui change et ce qui se conserve quand une transformation chimique a lieu.

Ces notions servent ensuite pour les solutions aqueuses, les acides et les bases, puis la combustion. Prends le temps de bien les poser maintenant.

Tous les corps que tu rencontres, solides, liquides ou gazeux, sont construits à partir d'atomes. Un atome est comparable à une pièce d'un jeu de construction : on en assemble plusieurs pour fabriquer des structures plus grandes.

Un atome est formé d'un noyau, chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons, chargés négativement.¹ Il y a autant de charges positives dans le noyau que d'électrons autour : l'atome est donc électriquement neutre.

Un point est très important pour la suite : les atomes sont des assemblages beaucoup plus stables que les molécules. Lors d'une réaction chimique, les atomes ne disparaissent pas et ne se transforment pas en d'autres atomes. Pour qu'un atome se transforme en un autre, il faudrait des apports d'énergie bien plus grands, qui relèvent des réactions nucléaires, hors de ce chapitre.²

Pour parler des atomes, les chimistes utilisent des symboles : une ou deux lettres. Dans les exemples de ce cours, tu rencontreras C pour le carbone, H pour l'hydrogène et O pour l'oxygène.² Ces symboles sont universels : un élève de n'importe quel pays les comprend.

L'atome seul n'est pourtant pas toujours la forme sous laquelle on trouve la matière. Très souvent, des atomes sont liés entre eux. C'est là qu'interviennent les molécules.

Regardons les mots un par un.

• Au moins deux atomes : un atome isolé n'est pas une molécule. Il en faut deux ou plus.
• Identiques ou différents : une molécule peut contenir un seul type d'atome (deux atomes d'oxygène) ou plusieurs types (un carbone et des hydrogènes).
• Électriquement neutre : la molécule ne porte aucune charge globale. C'est ce qui la distingue d'un ion.
• Liaisons : les atomes ne sont pas simplement posés les uns à côté des autres, ils sont accrochés entre eux.

Une molécule peut exister à l'état libre. Elle représente la plus petite quantité de la substance qui possède encore les propriétés de cette substance.² Autrement dit, si tu pouvais découper un échantillon de corps pur en parts de plus en plus petites, la molécule serait la plus petite part qui se comporte encore comme ce corps.

Pour décrire une molécule, on écrit sa formule. Elle juxtapose les symboles des atomes présents. Quand un même atome apparaît plusieurs fois, on écrit un petit nombre en bas à droite du symbole, appelé indice. Cet indice dit combien d'atomes de ce type la molécule contient.

Reprends les deux exemples précédents :

• CH4 : le symbole C n'a pas d'indice visible, il y a donc un seul atome de carbone ; le H porte l'indice 4, il y a quatre atomes d'hydrogène.²
• O2 : l'indice 2 indique deux atomes d'oxygène.²

La différence essentielle est là : la molécule est neutre, l'ion porte une charge. Le signe de cette charge permet de distinguer deux familles.

• Un cation porte une charge positive.²
• Un anion porte une charge négative.²

Pour t'en souvenir, retiens que le « t » de cation ressemble à un signe « + » : le cation est positif, l'anion est négatif.

Il y a donc deux idées à retenir. La première : un ion est défini par sa charge. La seconde : cette charge peut être portée par un atome seul ou par un petit groupe d'atomes liés entre eux. Dans le second cas, le groupe se comporte comme un seul bloc chargé.

Les ions apparaissent aussi quand certaines molécules se trouvent dans un solvant polaire : des dissymétries de charges peuvent aller jusqu'à produire des ions.² C'est le cas, par exemple, quand on dissout un composé dans l'eau, ce que tu étudieras au prochain chapitre sur les solutions aqueuses.

Les ions ne se rencontrent pas seulement en solution. Beaucoup de solides sont entièrement construits avec des ions. Le sel de cuisine en est l'exemple le plus familier, et il sert d'ailleurs de support d'étude des ions en classe.¹

Comment tiennent-ils ensemble ? Des charges de signes opposés s'attirent. La cohésion de l'ensemble vient de la force électrostatique qui attire les ions de charges opposées : on l'appelle liaison ionique.²

À l'état solide, les ions ne sont pas disposés au hasard. Les sels solides forment une structure en trois dimensions, appelée réseau ionique.² Dans ce réseau, chaque ion est entouré d'ions de signe opposé.

Face à une substance, tu dois pouvoir dire si elle est faite de molécules ou d'ions. Le tableau suivant résume les différences vues dans ce cours.

Les molécules ne sont pas figées. Une réaction chimique transforme des molécules en d'autres molécules.² Les atomes, eux, passent d'un assemblage à un autre.

Il en résulte deux règles de conservation que tu dois maîtriser :

• conservation des atomes : on retrouve à la fin autant d'atomes de chaque type qu'au début ;²
• conservation de la charge : la charge électrique totale est la même avant et après la réaction.²

La forme et la taille d'une molécule, ainsi que la présence de certains groupes d'atomes, jouent un rôle dans son aptitude à réagir et à se transformer.²