La quantité de matière et la mole : cours de 2de

En chimie, on travaille sur des échantillons que l'on peut voir, peser ou mesurer : un morceau de métal, un verre d'eau, un ballon de gaz. Pourtant, ce qui réagit vraiment, ce sont des entités minuscules : des atomes, des molécules, des ions. Pour décrire une transformation chimique, il faut savoir combien de ces entités sont présentes.

Le problème, c'est que ces entités sont d'une petitesse extrême. Un petit échantillon en contient un nombre gigantesque. Écrire ce nombre en entier est pénible, et surtout il ne parle pas à l'esprit. Les chimistes ont donc choisi de compter par paquets, comme un commerçant qui vend des œufs à la douzaine ou du papier par ramettes. Le paquet des chimistes s'appelle la mole.

Dans ce cours, tu vas voir ce qu'est la quantité de matière, ce que représente une mole, comment la relier au nombre d'entités, puis comment l'utiliser dans des calculs. Tu as déjà rencontré les atomes, les molécules et les ions : c'est exactement sur ces entités que porte le comptage.

Remarque bien le mot « grandeur physique » : comme une longueur ou une durée, la quantité de matière se mesure ou se calcule, et elle s'exprime avec une unité. Ce n'est pas la masse (en grammes) ni le volume (en litres), même si on peut passer de l'une à l'autre dans certains cas.

Les textes de référence recommandent d'écrire « quantité d'eau », « quantité de dioxygène »… pour parler du nombre de moles de la substance concernée ³. Tu rencontreras aussi l'expression « nombre de moles », plus ancienne, qui reste correcte et courante chez les chimistes ³. Enfin, « quantité chimique » est accepté comme synonyme de « quantité de matière » ³.

Ce nombre est colossal : $6{,}02214076 \times 10^{23}$ s'écrit avec 24 chiffres avant la virgule, c'est-à-dire environ six cent mille milliards de milliards. C'est justement parce que les entités sont minuscules qu'il en faut autant pour obtenir une quantité visible.

Dans les calculs de seconde, on arrondit souvent $N_A$ à $6{,}02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$. Ton énoncé précisera la valeur à utiliser ; sinon, garde au moins trois chiffres significatifs.

Les scientifiques n'ont pas toujours défini la mole de la même façon. Connaître cette évolution aide à comprendre pourquoi la constante d'Avogadro est aujourd'hui un nombre exact.

L'expression « quantité de matière » n'a été définie qu'en 1969 ³. La mole, elle, a été adoptée comme unité de base du Système international en 1971 ⁴. À cette date, on la définissait à partir d'une référence matérielle : la quantité d'entités contenues dans 0,012 kilogramme de carbone 12 ⁴.

Cette définition a été remplacée. Le Bureau international des poids et mesures a adopté, lors de la 26e Conférence générale des poids et mesures en novembre 2018, la définition fondée sur la valeur fixée de $6{,}02214076 \times 10^{23}$ entités, applicable à partir du 20 mai 2019 ⁴.

Le mot « molécule » vient du latin moles, qui signifie « masse » ⁴. La « mole » a été formée comme une abréviation pour désigner la quantité de matière ⁴. Tu peux donc voir la mole comme une manière de désigner un gros tas d'entités.

Cette relation exprime simplement une proportionnalité : si tu as deux fois plus d'entités, tu as deux fois plus de moles. Le coefficient de proportionnalité est la constante d'Avogadro. Tu peux la comparer au cas des œufs : le nombre d'œufs est égal au nombre de douzaines multiplié par 12. Ici, le nombre d'entités est égal au nombre de moles multiplié par $N_A$.

On peut le vérifier sur le cas particulier $N = N_A$ : alors $n = \dfrac{N_A}{N_A} = 1\ \text{mol}$, ce qui est bien la définition de la mole.

Compter les entités une par une est impossible dans la pratique. Au laboratoire, on obtient plutôt la quantité de matière à partir d'une grandeur que l'on sait mesurer. En seconde, on détermine surtout le nombre d'entités et la quantité de matière d'une espèce présente dans un échantillon de masse connue ². La concentration sera vue en première ¹, comme le volume molaire d'un gaz. Voici ce que cela change pour toi.

Pour terminer, voici ce qui fait gagner ou perdre des points dans les exercices sur la mole.

Les calculs sur la mole ressemblent à un simple changement d'unité, et c'est vrai du point de vue du calcul. Mais la mole est plus qu'une conversion : les chimistes ont longtemps manipulé des nombres de moles sans même connaître la valeur de la constante d'Avogadro ³. La quantité de matière est une vraie grandeur de la chimie, utilisée pour décrire et comparer les transformations.

Tu es maintenant prêt pour les exercices d'application. Fais-les sans regarder la correction, puis compare ta démarche, étape par étape.