Il y a quelques mois, nous parlions un peu de la matière dans l'apparition de la vie sur terre et dans nous sommes de la poussière d'étoiles.
Aujourd'hui, je vous propose d'approfondir la question, et croyez-moi, vous n'êtes pas au bout de vos surprises !
Comme vous le savez, la matière est partout : les éléments naturels (notre environnement naturel, le système solaire, l'univers) mais aussi les organismes vivants (faune, flore, vous, moi) et encore les objets fabriqués par l'homme.
La matière peut se présenter sous 4 aspects différents : solide, liquide, gazeux, plasma. Mais dans tous les cas, elle est composée de petites briques invisibles à nos yeux, briques que l'on appelle les atomes. Atome, du Grec ancien, qui signifie insécable : que l'on ne peut diviser. En effet, lors de la découverte de l'atome, on pensait qu'il s'agissait du plus petit constituant de la matière. Évidemment c'est faux, le chemin qui permit de démontrer le contraire fut long et semé d'embûches. C'est principalement la découverte de l'électron qui permettra un grand pas en avant.
Donc, l'atome que l'on croyait une entité insécable, est fait composé de plusieurs particules, dites subatomiques (plus petites que l'atome).
Vous, je sais pas, mais moi, à l'école, on m'a montré qu'un atome c'était ça : ➡️
Si cette image est parlante, elle représente vraiment très mal ce qu'est un atome. Les proportions sont justes n'importe quoi. J'esplik : un atome est composé d'un noyau (le nucléon) lui même composé de proton (s) et de neutron (s). Autour de ce nucléon (noyau c'est pour les noobs 😄) gravite (nt) un ou plusieurs électrons. Jusque là, le dessin est OK. Ce qui ne va pas du tout sur ce dessin, c'est la taille du nucléon comparé aux électrons, et surtout la distance des électrons qui ont l'air tout proche du nucléon. Pour fixer les idées, disons que si le nucléon faisait 1 cm de diamètre, alors les électrons les plus proches seraient à .... 1 km ! 😲 Vous avez bien lu, il n'y a pas d'erreur.
On peut en conclure qu'un atome, c'est essentiellement du vide ! Ça défie l'imagination ! Les objets qui vous entourent, même les plus lourds, contiennent bien plus de vide que de matière ! Une enclume de 100 kg est faite de vide ! non mais allô quoi !
On reprend : le nucléon est composé de protons et de neutrons. Comme leur nom l'indique, les neutrons sont électriquement neutres. Les protons, eux, ont une charge positive (exprimée en coulombs).
Ça veut dire que globalement, le nucléon est chargé positivement (neutre + positif = positif).
Aparté pour les plus téméraires (ceux qui ont déjà mal à la tête, passez direct au paragraphe suivant 😄) :
Si vous savez que des particules de même charge se repoussent, alors pourquoi le nucléon n'éclate pas ? C'est très simple (non, pas du tout) : A l'échelle des atomes, il existe une force (on l'appelle l’interaction nucléaire forte), force qui agit sur les nucléons pour maintenir leur cohésion. Cette force est extrêmement puissante, mais sa portée est très limitée au delà de la frontière du nucléon. Si l'interaction nucléaire forte n'existait pas, il n'y aurait pas d'atomes, donc, il n'y aurait... rien. Ce qu'il faut retenir du nucléon, c'est qu'il est le théâtre de forces colossales opposées et constantes, c'est quelque chose de vraiment actif, bien loin de l'idée que l'on serait tenté de s'en faire... Une autre façon de se rendre compte des forces en jeu : prenez n'importe quel objet sur terre, disons un avion qui percute la planète à grande vitesse, eh bien aucun électron ne viendra en contact avec aucun nucléon ! il n'y a que la puissance d'une étoile (et peut-être un jour ITER) pour faire fusionner des atomes !
Bon pour les protons et neutrons c'est bon. Passons à la troisième particule subatomique : les électrons. Ceux-ci tournent autour du nucléon à une vitesse prodigieuse. Déjà, on remarque que les électrons possèdent la même charge électrique que les protons, mais là où les protons sont chargés positivement, les électrons le sont négativement. Les charges électriques des protons et des électrons s'annulent donc (plus + moins = zéro). Un atome est donc fondamentalement électriquement neutre. Enfin, pour que ce soit le cas, il faut que l'on trouve autant de protons que d'électrons au sein d'un atome. Et c'est parfaitement le cas. (mais pas forcément le même nombre de neutrons). Donc, si on connait le nombre de protons qui compose un nucléon, on connait aussi le nombre d'électrons.
Contrairement à ce que nous suggère la première illustration, les nucléons (protons et neutrons) ont des masses très différentes des électrons. Si la masse d'un proton est très très proche de la masse d'un neutron, celle d'un électron est environ 2000 fois moindre ! Une masse si dérisoire que la masse d'un atome se résume en fait approximativement à la seule masse de ses protons/neutrons.
J'en ai pas fini avec les électrons 😄 ! On l'a vu plus haut, les électrons gravitent autour du nucléon. Comme des planètes qui gravitent autour de leur étoile ! Chaque planète a son orbite, de la plus proche (Mercure) à la plus éloignée (Neptune). C'est un peu la même chose pour les électrons, avec 2 différences notables : la première différence c'est que les planètes orbitent toutes sur (presque) le même plan (l’écliptique) mais les électrons sont fous, ils tournent de façon désordonnée dans tous les sens. Et tellement vite qu'on ne peut jamais savoir où ils se trouvent à un instant t. La deuxième différence notable, c'est que l'on trouve plusieurs électrons sur la même orbite, ce qui est impossible avec les planètes. Il ne peut y avoir plusieurs planètes sur la même orbite. (Pour faire la différence avec les planètes, pour les électrons on parle d'orbitale, ou encore de couches électroniques).
Accrochez-vous à vos chaussettes, ça va se compliquer un peu : selon les atomes, on trouve un nombre différent de protons et donc d'électrons. C'est d'ailleurs ça qui les distingue les uns des autres, ça qui fait que par exemple le plomb est différent de l'aluminium.
On va partir de l'atome le plus simple : l'atome d'hydrogène. On ne peut pas faire plus simple : un seul proton, un seul électron. Point barre. On a donc une seule orbitale puis qu'il n'y a qu'un seul électron. Comme c'est le seul atome avec un seul proton, c'est l'atome le plus léger de la matière. L'atome d'hydrogène est tellement "fin", tellement ténu, tellement léger, qu'il passe sans problème au travers d'une bouteille d'oxygène, pourtant très solide. Pour contenir l'hydrogène, il faut des réservoirs composite à base de carbone. Les récents retards du SLS étaient dus à des problèmes de fuite d'hydrogène...
A peine plus compliqué que l'atome d'hydrogène, on trouve celui d'hélium, qui comprend 2 protons et 2 électrons. Lui aussi est très léger, on remplissait les dirigeables d'hélium. OK, 2 électrons, qui se partagent la même orbitale. On dit que ces 2 électrons ont le même niveau d'énergie.
Rajoutons un proton et un électron, et nous avons un atome de lithium. (je vous rassure, on va pas tous se les faire ️😄). C'est là que ça change : vous croyez le troisième électron sur la même orbitale que les 2 précédents ? Perdu. Sur la première orbitale, il n'y a de place que pour 2 électrons. Le troisième va donc se trouver sur une deuxième orbitale. Tout seul. Pour le dire autrement, disons que chaque orbitale (ou couche électronique) ne peut accueillir qu'un nombre limité d'électrons. Une fois que la couche est pleine (on dit qu'elle est saturée), on passe à la suivante. Et chaque couche peut contenir un nombre différent d'électrons. On a vu que la première orbitale peut en contenir 2, la deuxième orbitale peut en contenir 8, la troisième 18, etc...
Les électrons ne peuvent se situer entre 2 orbitales, soit ils sont sur l'une, soit sur une autre. Il ne peut y avoir de niveau intermédiaire. Mais ils peuvent passer d'une orbitale à une autre, selon qu'ils gagnent ou qu'ils perdent de l'énergie.
Pour chaque atome, la dernière orbitale (celle la plus éloignée du nucléon) est dite couche de valence. Les électrons présents dans cette orbitale se nomment donc électrons de valence. Les autres électrons sont qualifiés électrons de cœur. Bon OK, mais qu'est-ce qu'ils ont de spécial ces électrons de valence ? Eh bien ils jouent un rôle crucial : ce sont eux qui vont permettre à l'atome de "s'accrocher" à d'autres atomes pour former des molécules ! Les électrons de valence vont sauter d'un atome à un autre, et c'est ça qui va réaliser la cohésion moléculaire entre atomes (différents ou identiques). On les appelle des liaisons covalentes.
Comme on connait le nombre d'électrons de valence de chacun des atomes, on peut en déduire quels sont les atomes susceptibles de réaliser des liaisons entre eux !
Quand je vous aurait dit qu'un atome peut contenir jusqu'à 7 orbitales au maximum, on aura fait le tour. Ah ben non, j'ai menti 😄
Tous les atomes d'un même élément contiennent le même nombre de protons. Mais pas forcément le même nombre de neutrons ! Lorsque l'on trouve un atome avec plusieurs variantes de neutrons, ces variantes s'appellent des isotopes. (je ne lasserai jamais de cette blague 😄). ➡️
Prenons l'exemple du carbone qui présente 3 variantes (3 isotopes) : on trouve le carbone 12 (12 nucléons composés de 6 protons et 6 neutrons), le carbone 13 (7 neutrons et 6 protons) et le carbone 14 (8 neutrons et 6 protons).
Je ne savais pas où le placer, alors je le mets là : vous avez entendu parler du zéro absolu ? Mais si, cette température de moins 273,15° Celsius ! Oui, ça caille grave ! Et elle nous dit quoi cette température ? Eh bien qu'à ce stade, les particules subatomiques entrent dans un état d'énergie minimal, dit état fondamental. L’entropie devient nulle (en schématisant, les électrons cessent leur ronde autour des nucléons, il n'y a plus aucune activité, plus de liaisons covalentes possibles).
Bon, maintenant que tout cela est posé, il ne nous reste plus qu'à parler de Mendeleïev. Vous avez compris, chaque type d'atome correspond à un état fondamental de la matière : 1 proton, c'est de l'hydrogène, 26 protons c'est du fer, 82 c'est du plomb, 94 c'est du plutonium... En tout, 118 atomes connus à ce jour.
118 éléments que les scientifiques ont voulu classer. Mais sous quel critère ? Ordre alphabétique, ordre chronologique de découverte ? les scientifiques savaient qu'il y avait plus pertinent.
En 1869, un chimiste Russe, Dimitri Ivanovitch Mendeleïev trouve l'inspiration (vous allez voir, c'est aussi brillant que le E=mc² d'Albert) : à une époque où l'on ignorait encore tout des particules subatomiques (on croyait encore les atomes insécables), Mendeleïev va classer les éléments par leur masse, du plus léger au plus lourd.
Quoi ? c'est tout ? c'est ça l'idée brillante ? On se calme les rageux, ça vient.
L'atome le plus léger, l'hydrogène, a été choisi comme référence. Mendeleïev déclare donc sa masse égale à 1. A partir de cette valeur de 1, il va calculer la masse de tous les atomes connus en 1869 : ainsi, les 63 éléments connus à l'époque furent tout d'abord classés par masse. Elle arrive l'idée brillante : en triant ses atomes, Mendeleïev s'aperçoit que les propriétés chimiques des éléments se répètent... périodiquement ! Il réorganise alors son tableau pour que tous les éléments d'une même colonne présente des propriétés similaires. La cohabitation des critères de masse et de propriétés lui donnèrent quelques cheveux blancs. Et la présence de "trous" dans son tableau (63 éléments connus à l'époque contre 118 aujourd'hui) ne le fait pas reculer. Au contraire, il prédit que les "trous" dans son tableau seront bouchés lors de la découverte future de nouveaux éléments. Mais le plus fort, c'est qu'il pouvait déjà prédire les propriétés chimiques de ces nouveaux éléments ! Du pur génie je vous dit ! Il suffisait de regarder dans quelle colonne se trouvait la case vide et il savait déjà quelles propriétés on pouvait attendre de l'élément qui restait à découvrir ! Sa classification était tellement révolutionnaire qu'elle mit quelques années à s'imposer, ce qui fut fait lorsque l'on découvrit le gallium en 1875, qui remplissait la bonne case avec les bonnes caractéristiques ! Une pure dinguerie !
Dans la version moderne du tableau, les 118 éléments (94 naturels, 24 artificiels) ne sont plus classés par ordre de masse, mais par ordre croissant de numéro atomique, lequel correspond au nombre de protons (dont on ignorait l'existence du temps de Mendeleïev).
Le numéro de chaque ligne 1, 2, 3, correspond à celui de la couche de valence (et donc le nombre d'orbitales) et le numéro de chaque colonne I, II, III, correspond au nombre d'électrons de valence !
Les éléments réunis au sein d'une même colonne possèdent un même nombre d'électrons de valence, cela veut dire qu'ils ont des propriétés chimiques similaires. Ils appartiennent donc à la même famille chimique.
Conclusion :
Toute la matière qui nous entoure est constituée à partir de seulement 118 briques fondamentales, et c'est en effectuant des liaisons atomiques (liaisons covalentes) que ces 118 briques vont donner naissance à toutes ces molécules qui forment notre environnement. Telle combinaison, c'est du granit, telle autre c'est un chêne centenaire, telle autre combinaison complexe, c'est vous !
Michel Havez, Janvier 2023.
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