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2.1 : Les premières idées de la théorie atomique

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    Objectifs d'apprentissage

    À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

    • Exposer les postulats de la théorie atomique de Dalton
    • Utiliser les postulats de la théorie atomique de Dalton pour expliquer les lois des proportions définies et multiples

    Le langage utilisé en chimie est vu et entendu dans de nombreuses disciplines, allant de la médecine à l'ingénierie, en passant par la médecine légale et l'art. Le langage de la chimie comprend son propre vocabulaire ainsi que sa propre forme de sténographie. Les symboles chimiques sont utilisés pour représenter les atomes et les éléments. Les formules chimiques décrivent les molécules ainsi que la composition des composés. Les équations chimiques fournissent des informations sur la qualité et la quantité des changements associés aux réactions chimiques.

    Ce chapitre jettera les bases de notre étude du langage de la chimie. Les concepts de cette fondation incluent la théorie atomique, la composition et la masse d'un atome, la variabilité de la composition des isotopes, la formation des ions, les liaisons chimiques entre les composés ioniques et covalents, les types de réactions chimiques et la dénomination des composés. Nous présenterons également l'un des outils les plus puissants pour organiser les connaissances chimiques : le tableau périodique.

    La théorie atomique au XIXe siècle

    La première discussion enregistrée sur la structure fondamentale de la matière provient de philosophes grecs anciens, les scientifiques de leur époque. Au Ve siècle av. J.-C., Leucippe et Démocrite soutenaient que toute matière était composée de petites particules finies qu'ils appelaient atomos, terme dérivé du mot grec signifiant « indivisible ». Ils considéraient les atomes comme des particules mobiles de formes et de tailles différentes et qui pouvaient se réunir. Plus tard, Aristote et d'autres en sont venus à la conclusion que la matière se composait de diverses combinaisons de quatre « éléments » — feu, terre, air et eau — et pouvait être divisée à l'infini. Il est intéressant de noter que ces philosophes considéraient les atomes et les « éléments » comme des concepts philosophiques, mais n'ont apparemment jamais envisagé de réaliser des expériences pour tester leurs idées.

    La vision aristotélicienne de la composition de la matière a dominé pendant plus de deux mille ans, jusqu'à ce que le professeur d'anglais John Dalton contribue à révolutionner la chimie avec son hypothèse selon laquelle le comportement de la matière pourrait être expliqué par une théorie atomique. Publiées pour la première fois en 1807, de nombreuses hypothèses de Dalton concernant les caractéristiques microscopiques de la matière sont toujours valables dans la théorie atomique moderne. Voici les postulats de la théorie atomique de Dalton.

    1. La matière est composée de particules extrêmement petites appelées atomes. Un atome est la plus petite unité d'un élément qui peut participer à un changement chimique.
    2. Un élément est constitué d'un seul type d'atome, dont la masse est caractéristique de l'élément et qui est la même pour tous les atomes de cet élément (Figure\(\PageIndex{1}\)). Un échantillon macroscopique d'un élément contient un nombre incroyablement élevé d'atomes qui ont tous des propriétés chimiques identiques.
    Figure\(\PageIndex{1}\) : Un cent de cuivre datant d'avant 1982 (à gauche) contient environ 3\(\times\) 10 22 atomes de cuivre (plusieurs douzaines sont représentés par des sphères brunes à droite), chacun ayant les mêmes propriétés chimiques. (crédit : modification de l'œuvre par « slgckgc » /Flickr)
    L'image de gauche montre la photographie d'une pile de pièces d'un cent. L'image de droite montre une zone de l'une des pièces de monnaie, qui est composée de nombreux atomes de cuivre en forme de sphère. Les atomes sont densément organisés.
    1. Les propriétés des atomes d'un élément diffèrent de celles des atomes de tous les autres éléments.
    2. Un composé est constitué d'atomes de deux éléments ou plus combinés dans un petit rapport de nombres entiers. Dans un composé donné, le nombre d'atomes de chacun de ses éléments est toujours présent dans le même rapport (Figure\(\PageIndex{2}\)).
    Figure\(\PageIndex{2}\) : L'oxyde de cuivre (II), un composé noir poudreux, résulte de la combinaison de deux types d'atomes, le cuivre (sphères brunes) et l'oxygène (sphères rouges), dans un rapport de 1:1. (crédit : modification de l'œuvre par « Chemicalinterest » /Wikimedia Commons)
    L'image de gauche montre un contenant contenant un composé poudreux noir. L'image de droite montre la structure moléculaire de la poudre qui contient des atomes de cuivre regroupés avec un nombre égal d'atomes d'oxygène.
    1. Les atomes ne sont ni créés ni détruits lors d'un changement chimique, mais sont réarrangés pour produire des substances différentes de celles présentes avant le changement (Figure\(\PageIndex{3}\)).
    Figure\(\PageIndex{3}\) : Lorsque les éléments cuivre (solide brun-rouge brillant, représenté ici sous forme de sphères brunes) et oxygène (gaz clair et incolore, représenté ici par des sphères rouges) réagissent, leurs atomes se réarrangent pour former un composé contenant du cuivre et de l'oxygène (un solide noir poudreux). (crédit cuivre : modification de l'œuvre de Copper [images-of-elements.com]).
    Le flacon avec bouchon gauche contient du cuivre et de l'oxygène. Une légende indique que le cuivre est composé de nombreux atomes en forme de sphère. Les atomes sont densément organisés. L'espace ouvert de la bouteille contient de l'oxygène gazeux, qui est composé de paires d'atomes d'oxygène liées et régulièrement espacées. Le flacon bouché droit montre le composé de deux oxydes de cuivre. Une légende provenant de la poudre montre une molécule d'oxyde de cuivre à deux, qui contient des atomes de cuivre regroupés avec un nombre égal d'atomes d'oxygène.

    La théorie atomique de Dalton fournit une explication microscopique des nombreuses propriétés macroscopiques de la matière que vous avez apprises. Par exemple, si un élément tel que le cuivre est constitué d'un seul type d'atome, il ne peut pas être décomposé en substances plus simples, c'est-à-dire en substances composées de moins de types d'atomes. Et si les atomes ne sont ni créés ni détruits lors d'un changement chimique, alors la masse totale de matière présente lorsque la matière passe d'un type à l'autre restera constante (la loi de conservation de la matière).

    Exemple\(\PageIndex{1}\): Testing Dalton’s Atomic Theory

    Dans le dessin suivant, les sphères vertes représentent les atomes d'un certain élément. Les sphères violettes représentent les atomes d'un autre élément. Si les sphères se touchent, elles font partie d'une seule unité d'un composé. Le changement chimique suivant représenté par ces symboles viole-t-il l'une des idées de la théorie atomique de Dalton ? Si oui, laquelle ?

     

    Cette équation montre que les matières premières de la réaction sont deux sphères vertes liées, qui sont combinées à deux sphères violettes liées plus petites. Le produit du changement est une sphère violette liée à une sphère verte.
    Solution

    Les matières premières sont constituées de deux sphères vertes et de deux sphères violettes. Les produits se composent d'une seule sphère verte et d'une sphère violette. Cela contrevient au postulat de Dalton selon lequel les atomes ne sont ni créés ni détruits lors d'un changement chimique, mais sont simplement redistribués. (Dans ce cas, les atomes semblent avoir été détruits.)

    Exercice\(\PageIndex{1}\)

    Dans le dessin suivant, les sphères vertes représentent les atomes d'un certain élément. Les sphères violettes représentent les atomes d'un autre élément. Si les sphères se touchent, elles font partie d'une seule unité d'un composé. Le changement chimique suivant représenté par ces symboles viole-t-il l'une des idées de la théorie atomique de Dalton ? Si c'est le cas, lequel

     

    Cette équation montre que les matières premières de la réaction sont deux ensembles de sphères vertes liées qui sont chacune combinées à deux sphères violettes liées plus petites. Les produits du changement sont deux molécules qui contiennent chacune une sphère violette liée entre deux sphères vertes.
    Réponse

    Les matières premières sont constituées de quatre sphères vertes et de deux sphères violettes. Les produits se composent de quatre sphères vertes et de deux sphères violettes. Cela ne viole aucun des postulats de Dalton : les atomes ne sont ni créés ni détruits, mais sont redistribués dans de petits rapports de nombres entiers.

    Dalton était au courant des expériences du chimiste français Joseph Proust, qui a démontré que tous les échantillons d'un composé pur contiennent les mêmes éléments dans la même proportion en masse. Cette déclaration est connue sous le nom de loi des proportions définies ou de loi de composition constante. La suggestion selon laquelle le nombre d'atomes des éléments d'un composé donné existe toujours dans le même rapport est conforme à ces observations. Par exemple, lorsque différents échantillons d'isooctane (un composant de l'essence et l'un des étalons utilisés dans le système d'indice d'octane) sont analysés, ils présentent un rapport massique carbone/hydrogène de 5, 33:1, comme indiqué dans le tableau\(\PageIndex{1}\).

    Tableau\(\PageIndex{1}\) : Composition constante de l'isooctane
    échantillon Carbone Hydrogène Rapport de masse
    UN 14,82 g 2,78 g \(\mathrm{\dfrac{14.82\: g\: carbon}{2.78\: g\: hydrogen}=\dfrac{5.33\: g\: carbon}{1.00\: g\: hydrogen}}\)
    B 22,33 g 4,19 g \(\mathrm{\dfrac{22.33\: g\: carbon}{4.19\: g\: hydrogen}=\dfrac{5.33\: g\: carbon}{1.00\: g\: hydrogen}}\)
    C 19,40 g 3,64 g \(\mathrm{\dfrac{19.40\: g\: carbon}{3.63\: g\: hydrogen}=\dfrac{5.33\: g\: carbon}{1.00\: g\: hydrogen}}\)

    Il convient de noter que même si tous les échantillons d'un composé donné ont le même rapport de masse, l'inverse n'est généralement pas vrai. En d'autres termes, les échantillons ayant le même rapport de masse ne sont pas nécessairement la même substance. Par exemple, de nombreux composés autres que l'isooctane ont également un rapport massique carbone/hydrogène de 5, 33:1 ,00.

    Dalton a également utilisé les données de Proust, ainsi que les résultats de ses propres expériences, pour formuler une autre loi intéressante. La loi des proportions multiples stipule que lorsque deux éléments réagissent pour former plus d'un composé, une masse fixe d'un élément réagira avec les masses de l'autre élément dans un rapport de petits nombres entiers. Par exemple, le cuivre et le chlore peuvent former un solide cristallin vert avec un rapport massique de 0,558 g de chlore pour 1 g de cuivre, ainsi qu'un solide cristallin brun avec un rapport massique de 1,116 g de chlore pour 1 g de cuivre. Ces ratios en eux-mêmes peuvent ne pas sembler particulièrement intéressants ou informatifs ; toutefois, si nous prenons un ratio de ces ratios, nous obtenons un résultat utile et peut-être surprenant : un petit ratio de nombres entiers.

    \[\mathrm{\dfrac{\dfrac{1.116\: g\: Cl}{1\: g\: Cu}}{\dfrac{0.558\: g\: Cl}{1\: g\: Cu}}=\dfrac{2}{1}} \nonumber \]

    Ce rapport 2 pour 1 signifie que le composé brun contient deux fois plus de chlore par quantité de cuivre que le composé vert.

    Cela peut s'expliquer par la théorie atomique si le rapport cuivre/chlore dans le composé brun est de 1 atome de cuivre pour 2 atomes de chlore et que le rapport dans le composé vert est de 1 atome de cuivre pour 1 atome de chlore. Le rapport des atomes de chlore (et donc le rapport de leurs masses) est donc de 2 pour 1 (Figure\(\PageIndex{4}\)).

    Figure\(\PageIndex{4}\) : Comparé au composé de cuivre chloré dans (a), où le cuivre est représenté par des sphères brunes et le chlore par des sphères vertes, le composé de chlore de cuivre dans (b) possède deux fois plus d'atomes de chlore par atome de cuivre. (crédit a : modification de l'œuvre par « Benjah-BMM27 » /Wikimedia Commons ; crédit b : modification de l'œuvre par « Walkerma » /Wikimedia Commons)
    La figure A montre un tas de poudre verte. Une légende indique que la poudre verte est constituée d'un réseau d'atomes de cuivre entrecoupés d'atomes de chlore. Les atomes sont codés par couleur marron pour le cuivre et vert pour le chlore. Le nombre d'atomes de cuivre est égal au nombre d'atomes de chlore dans la molécule. La figure B montre un tas de poudre brune. Une légende indique que la poudre brune est également composée d'atomes de cuivre et de chlore similaires à la molécule illustrée à la figure A.
    Exemple\(\PageIndex{2}\): Laws of Definite and Multiple Proportions

    Un échantillon du composé A (un gaz clair et incolore) est analysé et on constate qu'il contient 4,27 g de carbone et 5,69 g d'oxygène. Un échantillon du composé B (également un gaz clair et incolore) est analysé et on a découvert qu'il contient 5,19 g de carbone et 13,84 g d'oxygène. Ces données sont-elles un exemple de la loi des proportions définies, de la loi des proportions multiples, ou aucune des deux ? Que vous apprennent ces données sur les substances A et B ?

    Solution

    Dans le composé A, le rapport massique carbone/oxygène est :

    \[\mathrm{\dfrac{1.33\: g\: O}{1\: g\: C}} \nonumber \]

    Dans le composé B, le rapport massique carbone/oxygène est :

    \[\mathrm{\dfrac{2.67\: g\: O}{1\: g\: C}} \nonumber \]

    Le ratio de ces ratios est le suivant :

    \[\mathrm{\dfrac{\dfrac{1.33\: g\: O}{1\: g\: C}}{\dfrac{2.67\: g\: O}{1\: g\: C}}=\dfrac{1}{2}} \nonumber \]

    Cela soutient la loi des proportions multiples. Cela signifie que A et B sont des composés différents, A contenant deux fois moins de carbone par quantité d'oxygène (ou deux fois plus d'oxygène par quantité de carbone) que B. Une paire de composés pouvant correspondre à cette relation serait A = CO 2 et B = CO.

    Exercice\(\PageIndex{1}\)

    Un échantillon du composé X (un liquide combustible clair, incolore et dégageant une odeur perceptible) est analysé et on a découvert qu'il contient 14,13 g de carbone et 2,96 g d'hydrogène. Un échantillon du composé Y (un liquide clair, incolore et combustible dont l'odeur perceptible est légèrement différente de celle de X) est analysé et on a découvert qu'il contient 19,91 g de carbone et 3,34 g d'hydrogène. Ces données sont-elles un exemple de la loi des proportions définies, de la loi des proportions multiples, ou aucune des deux ? Que vous apprennent ces données sur les substances X et Y ?

    Réponse

    Dans le composé X, le rapport massique carbone/hydrogène est de\(\mathrm{\dfrac{14.13\: g\: C}{2.96\: g\: H}}\).

    Dans le composé Y, le rapport massique carbone/oxygène est de\(\mathrm{\dfrac{19.91\: g\: C}{3.34\: g\: H}}\).

    Le ratio de ces ratios est

    \[\mathrm{\dfrac{\dfrac{14.13\: g\: C}{2.96\: g\: H}}{\dfrac{19.91\: g\: C}{3.34\: g\: H}}=\dfrac{4.77\: g\: C/g\: H}{5.96\: g\: C/g\: H}=0.800=\dfrac{4}{5}}. \nonumber \]

    Ce petit ratio entre nombres entiers soutient la loi des proportions multiples. Cela signifie que X et Y sont des composés différents.

     

    Résumé

    Les anciens Grecs proposaient que la matière se compose de particules extrêmement petites appelées atomes. Dalton a postulé que chaque élément possède un type d'atome caractéristique dont les propriétés diffèrent de celles des atomes de tous les autres éléments, et que les atomes de différents éléments peuvent se combiner dans des rapports fixes, petits et entiers pour former des composés. Les échantillons d'un composé donné ont tous les mêmes proportions élémentaires en masse. Lorsque deux éléments forment des composés différents, une masse donnée d'un élément se combine avec les masses de l'autre élément dans un petit rapport entier. Lors de tout changement chimique, les atomes ne sont ni créés ni détruits.

    Lexique

    La théorie atomique de Dalton
    ensemble de postulats établissant les propriétés fondamentales des atomes
    loi de composition constante
    (également, loi des proportions définies) tous les échantillons d'un composé pur contiennent les mêmes éléments dans les mêmes proportions en masse
    loi des proportions multiples
    lorsque deux éléments réagissent pour former plus d'un composé, une masse fixe d'un élément réagira avec les masses de l'autre élément dans un rapport de petits nombres entiers
    loi des proportions définies
    (également, loi de composition constante) tous les échantillons d'un composé pur contiennent les mêmes éléments dans les mêmes proportions en masse