cours Chimie

<BLOCKQUOTE>En [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], nous dirons qu'à l'échelle moléculaire, une réaction chimique se traduit par une modification des molécules qui composent le mélange initial. Plus précisément, il se produit une ou plusieurs ruptures de liaisons entre atomes suivie de la recombinaison des atomes pour former d'autres molécules
Une définition plus précise



</BLOCKQUOTE>Il y a phénomène chimique si il y a réaction chimique, et il y a réaction chimique si il y a rupture de liaison. L'ambiguïté qui existe dans la définition de la chimie réside dans la notion de liaison chimique. En effet, de nombreux types de liaisons chimiques existent. Les deux plus courantes sont la liaison ionique, la liaison covalente deux modèles extrèmes, ainsi que la liaison hybride de ces deux liaisons appelée liaison iono-covalente. Dans ces deux cas, pas d'ambiguïté, ce sont des liaisons de forte énergie, mais il existe aussi les liaisons dites liaisons faibles :

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• liaison par interactions électrostatiques dipolaires de type Van der Waals,
  
• liaison hydrogène,
  

</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>Le problème est que ces liaisons ne peuvent être considérées comme des liaisons chimiques, car ce sont ces liaisons qui, par exemple, se rompent lorsque l'eau passe de l'état liquide à l'état gazeux. Il faut donc fixer une limite dans la définition de cette rupture de liaison : un critère énergétique. L'énergie de liaison d'une liaison hydrogène est de l'ordre de 4 kJ / mol. Une liaison entre deux atomes de carbone est de l'ordre de 430 kJ / mol.

<BLOCKQUOTE>On considérera qu'une liaison est une liaison chimique lorsque celle-ci sera supérieure à 50 kJ / mol.
</BLOCKQUOTE>Une définition correcte d'une réaction chimique devient : une réaction chimique résulte de la recombinaison d'atomes liés initialement par une énergie d'au moins 50 kJ / mol.

<BLOCKQUOTE>Remarque. On peut encore aller plus loin dans les précisions et constater qu'il n'existe pas de définition exacte d'une réaction chimique.
La structure de la matière

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</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE> Les chercheurs, physiciens, chimistes, biologistes et mathématiciens, ont validé depuis maintenant plus d'un siècle l'existence des atomes. Depuis, des expériences réalisées sur ces atomes ont permis de connaître leur constitution ultime (?) en particules éléméntaires.
Dans une approche simple, celle valable pour les chimistes, la matière est composée de trois particules. En fait, il y a plusieurs centaines de particules qui permettent d'interpréter la composition des atomes et la nature de leurs interactions, mais nous laissons de côté le domaine de la physique des particules pour nous centrer sur les trois particules : électron, proton et neutron, qui permettent de construire le légo chimique de la matière.
Les différents zooms nous font passer :

<BLOCKQUOTE>
<BLOCKQUOTE>-d'un morceau de métal
-à la sphère métallique
-à l'atome avec les électrons autour du noyau
-au noyau composé de protons et de neutrons
-et aux trois particules qui composent les particules du noyau, les quarks, qui ne seront d'aucun intérêt en chimie.
</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>Les trois particules
Le monde, la matière, les êtres vivants sont fait d'atomes. L'atome est la "brique élémentaire" grâce à laquelle la matière existe. Il faut néanmoins se méfier du terme élémentaire, mais en chimie, la connaissance de l'atome et des trois particules qui le composent suffit à expliquer tous les phénomènes. Ces trois particules sont :

<BLOCKQUOTE>l'électron (blanc) : particule portant une charge négative, tournant autour du noyau.
le proton (rouge) : particule portant une charge positive, située dans le noyau, pesant environ 1850 fois la masse de l'électron.
le neutron (bleu) : particule sans charge, située dans le noyau, pesant la même masse que le proton.
</BLOCKQUOTE>Ces trois particules ont des caractéristiques physiques bien connues (masse, charge, rayon), excepté le rayon de l'électron.


<BLOCKQUOTE>
<BLOCKQUOTE>Constitution des atomes : électrons et nucléons





</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>Dans l'atome, les deux parties importantes sont :

<BLOCKQUOTE>-le noyau où se trouvent protons et neutrons
-le nuage électronique où sont dispersés les électrons de l'atome
</BLOCKQUOTE>Mais connaître complètement la constitution d'un atome c'est connaître son nombre d'électrons, de protons, et de neutrons. C'est pourquoi on utilise le symbolisme de l'[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].
Dans ce mode de représentation, un atome est défini par :

<BLOCKQUOTE>le nombre de proton : Z ;
le nombre de neutrons : A - Z (pusique A est le nombre de nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons) ;
</BLOCKQUOTE>le nombre d'électrons qui est égal à :

<BLOCKQUOTE>
<BLOCKQUOTE>----Z pour un atome neutre,
----Z + n dans le cas d'un anion à n charges négatives,
----Z - n dans le cas d'un cation à n charges positives.

Mouvement des particules dans leur environnement





</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>Protons et neutrons ne sont pas immobiles dans le noyau. Ils bougent et leur mouvement peut être considéré en première approximation comme une oscillation (ressort).
Les électrons, eux, se déplacent à grande vitesse autour du noyau (un peu moins de la vitesse de la lumière). Leur déplacement n'est pas celui d'une orbite telle qu'on les représente souvent. Les électrons se trouvent dans un nuage diffus où on les positionne selon leur probabilité de présence (lobes de densité).

<BLOCKQUOTE>Remarque. Il ne faut pas utiliser l'expression "les électrons gravitent autour du noyau", car les électrons ne sont que très minoritairement influencé par la force gravitationnelle.
Notion de nucléide
</BLOCKQUOTE>Pour plus de précisions dans le vocabulaire, on définit un nucléide comme une entité caractérisée uniquement par le nombre de particules qui composent le noyau, définis par A et Z..

<BLOCKQUOTE>La chimie est le monde des électrons
</BLOCKQUOTE>Les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] sont des phénomènes qui nécessitent peu d'énergie. Lors d'un processus chimique, c'est donc les particules les plus accessibles qui vont faire les réactions chimiques : les électrons. Une réaction chimique sera donc un phénomène purement électronique.

<BLOCKQUOTE>Remarque. Pour atteindre le noyau, les énergies mises en jeu doivent être beaucoup plus importantes. Il s'agit alors de réactions nucléaires.
</BLOCKQUOTE>
La valence des atomes




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</BLOCKQUOTE>La valence d'un atome fixe de façon précise le nombre d'atomes auquel cet atome peut se lier... Pour être plus clair, si un atome a une valence de 1, il ne pourra se lier qu'à un seul atome. Si sa valence est de 4, il pourra se lier au maximum avec 4 atomes, etc. On qualifiera chaque atome de monovalent, divalent, trivalent ou tétravalent.


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<BLOCKQUOTE>Introduction historique
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Une des avancées les plus importantes du XIXème siècle a été d'abord de définir clairement la distinction entre atome et molécule, mais surtout de découvrir que les atomes s'associent selon des règles mathématiques précises. Pour prendre un exemple, dans les molécules renfermant du carbone, les associations de différents atomes dans cette molécule se font en respectant toujours le nombre 4. Dans le cas de l'oxygène, ce chiffre est 2, dans le cas de l'hydrogène c'est 1 etc. Chaque élément chimique est caractérisé par une chiffre allant de 1 à 4 : la valence. Cette remarque est presque toujours vérifiée, à l'exception de certaines molécules composées d'atomes lourds. La formulation du concept de valence est due a [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], en photo ci-dessus.

Illustration par l'exemple du carbone. Voyons quelques exemples sur des molécules simples.

• Dans le gaz dihydrogène, H₂, deux atomes d'hydrogènes sont associés.
  
• Dans le méthane, CH₄, il y a un carbone et quatre hydrogènes : le carbone est associé à quatre atomes.
  
• Dans l'eau, H₂O, il y a deux hydrogènes et un oxygène : l'oxygène est associé à deux atomes.
  
• Dans le formol, CH₂O, il y a un carbone entouré de deux hydrogènes (2 fois 1) et d'un oxygène (2) : le carbone est associé à trois atomes mais respecte le chiffre 4.
  
• Dans de dioxyde de carbone, CO₂, le carbone est entouré de deux oxygènes 2 fois 2 = 4.
  
• Dernier exemple : dans l'éthane de formule C₂H₆, chaque carbone est entouré d'un carbone et de trois hydrogènes : 3 + 1 = 4.
  

La conséquence de cette découverte a été de pouvoir affirmer que chaque atome est caractérisé par un chiffre, que l'on appelle la valence, et quelque soit l'origine de l'élément chimique, sa valence est toujours conservée.

Exception. Les atomes légers respectent cette loi. Les atomes lourds, c'est à dire les atomes métalliques, qui eux portent plus d'une dixaine d'électrons, pourront présenter plusieurs formes, comme le fer qui existe sous trois formes principales : l'oxyde de fer (II) FeO, l'oxyde de fer (III) Fe₂O₃ et la magnétite, Fe₃O₄. On dit dans ce cas que l'élément métallique présente plusieurs degrés d'oxydation.

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Exemples
</BLOCKQUOTE>Voici dans un tableau la valence des principaux atomes de la classification périodique.

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Atome monovalent	Atome divalent	Atome trivalent	Atome tétravalent
H, Li, Na, K... F, Cl, Br, I...	Be, Mg, Ca... O, S...	B, Al... N, P...	C, Si...

</BLOCKQUOTE>Nous faisons le choix de ne représenter ni les métaux de transition ni les éléments lourds dans le tableau.

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Comment déterminer la valence des atomes ?
</BLOCKQUOTE>La méthode la plus simple est celle de Lewis. Elle nécessite la connaissance du nombre d'électrons de l'atome, leur répartition ([ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]) et le mode de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].
La [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] permet aussi de déterminer très rapidement la valence de chaque atome

<BLOCKQUOTE>La liaison chimique



</BLOCKQUOTE>La notion de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] allait avoir une autre conséquence : celle de la mise au point de la notion de liaison chimique. En effet, un molécule est un édifice composé d'atomes. Pour que cet édifice soit stable, c'est que ces atomes sont liés entre eux.
Nous n'exposerons pas ici les phénomènes mis en cause dans cette liaison chimique, mais nous allons en donner les principes.

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</BLOCKQUOTE>

Il existe trois modes de description de la liaison chimique :
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• la liaison covalente
  
• la liaison ionique
  
• l'interaction orbitalaire (non abordée ici)
  

</BLOCKQUOTE>Liaison covalente
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La liaison covalente résulte de la mise en commun de deux électrons, un de chacun des deux atomes qui se lient. Le terme de covalence signifie que la liaison résulte de la mise en commun d'une valence de chaque atome.

Exemple. Si un carbone est tétravalent, et que l'hydrogène est monovalent, alors la molécule composée d'un atome de carbone est obligatoirement composée aussi de quatre hydrogènes : CH₄.

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Liaison ionique
</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>La liaison ionique résulte de l'attraction entre une espèce positive (cation) et une espèce négative (anion). La stabilité de la liaison est assurée par l'interaction électrostatique.

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</BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE></BLOCKQUOTE>La représentation des atomes et des molécules
La chimie est l'art d'interpréter les transformations de la matière. Pour simplifier cette interprétation, on utilise des représentations conventionnelles pour symboliser les molécules. Comme le disent les physiciens : "les chimistes n'écrivent pas, ils dessinent", encore faut-il savoir ne pas dessiner n'importe quoi n'importe comment.

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Les atomes

Pour les atomes, la représentation la plus commode, dans une première approximation est celle mise au point par Gilbert Lewis en 1916 : les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]. Dans cette représentation, un atome est représenté par son symbole atomique, est il est entouré du nombre d'électrons qui forment sa couche périphérique. Il est par conséquent nécessaire de connaître sa [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط], ou plus simplement, sa place dans la [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

<BLOCKQUOTE dir=ltr style="MARGIN-RIGHT: 0px">Exemple. Le carbone de symbole C, porte 6 électrons dont 2 sur la première couche et 4 sur la seconde : on représentera le carbone par un C entouré de quatre points :
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</BLOCKQUOTE>Les molécules


En ce qui concerne les molécules, il existe quatre représentations liées à ces structures de Lewis.

• Formule brute : La représentation la plus simple est la formule brute.
  
• Formule semi-développée : Elle donne des informations partielles sur la molécule.
  
• Formule développée : Elle permet de comprendre la construction de la molécule par le modéle de Lewis.
  
• Structure spatiale : Elle montre comment sont disposés les atomes de façon symbolique mais rigoureuse.
  
• Structutres simplifées : on y remplace les symboles par des segments qui symbolisent les liaisons carbone-carbone
  

La réaction chimique




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Une réaction chimique est un phénomène fort complexe pouvant être expliqué dans une certaine mesure et dans certains cas simples.

1. Comme nous l'avons déjà dit, une réaction chimique amène une transformation de la matière.
   
2. Par conséquent, une réaction chimique amène un changement de formes de molécules, d'atomes ou d'ions.
   
3. On sait que dans les molécules, les atomes sont liés entre eux .
   
4. Une réaction chimique consistera donc à casser les liaisons, séparer les atomes, et les laisser se recombiner .
   

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<BLOCKQUOTE>En représentation de Lewis, une réaction peut être perçue comme la recombinaison des atomes. Attention, cette représentation trop simplifiée n'est pas le reflet de la réalité.


La réaction chimique est la succession des phénomènes suivants :

1. Molécules de départ : réactifs ou molécule cible + réactif
   
2. Initiation de la réaction : activation thermique, photochimique
   
3. Première phase de réaction : ruptures de liaisons
   
4. Deuxième phase de réaction : déplacement des atomes
   
5. Troisième phase de réaction : recombinaison des atomes par reformation des liaisons, et obtention des molécules finales, des produits.
   

Ceci est vrai dans la plupart des situations, exceptées les réactions "simples" comme les réactions acido-basiques et les réactions redox.



Réaction chimique et mécanismes réactionnels
Pour mieux comprendre comment se produit une réaction chimique, les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] proposent une approche de la façon dont se déroulent les réactions. Toutes les réactions chimiques ne peuvent pas être présentées sous forme de mécanismes réactionnels.



A savoir avant d'aller plus loin...
La stœchiométrie de réaction et le concept de coefficient stoechiométrique est une notion fondamentale de la chimie. Nous renvoyons à une page qui ne traite rien que de cet aspect de la chimie : [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط].

Les mécanismes réactionnels



Nous avons dit [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]que les molécules qui évoluent aucours d'une réaction chimique peuvent être vues comme les pièces d'un lego que l'on casse et que le recompose. Il y a une logique dans les phénomènes : une logique complexe, mais une logique flagrante.
Un mécanisme réactionnel permet de justifier par une représentation schématique simple le déroulement d'une réaction chimique. Evidemment, ce modèle a ses limites. Dans un premier temps, il est donc fondamental de comprendre la logique du mécanisme réactionnel, mais le plus important sera d'apprendre à ne pas l'utiliser n'importe comment.




<BLOCKQUOTE>Principe d'un mécanisme réactionnel
</BLOCKQUOTE>Le mécanisme d'une réaction montre comment les électrons, symbolisés par une flèche se déplacent (emportant les atomes auxquels ils sont liés) pour apporter une explication au déroulement de la réaction, c'est-à-dire aux liaisons qui se forment et aux liaisons qui se rompent.
C'est principalement par des études cinétiques et par spectroscopie que ces mécanismes ont pu et peuvent être établis.
L'animation ci-contre illustre un mécanisme réactionnel enzymatique.

<BLOCKQUOTE>[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
</BLOCKQUOTE>La logique de la chimie : une histoire d'électrons



C'est au début du XX^ème siècle que les scientifiques ont constaté que l'électron avait une place prédominante dans la chimie. [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] proposa dès 1916 un modèle d'une rare simplicité décrivant un mode de représentation des molécules. Pour ceci, il postula (sans que rien pour l'époque ne puisse le justifier) que la liaison chimique résultait de la mise en commun de deux électrons.
La notion de [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] prenait alors une autre signification : c'était devenu le nombre d'électrons seuls, non appariés, situés sur la périphérie de l'atome.
Dès lors la chimie allait devenir l'univers des déplacements d'électrons.




<BLOCKQUOTE>Réactions chimiques et électrons
</BLOCKQUOTE>Si les liaisons entre atomes sont faites de doublets d'électrons, et qu'une réaction chimique casse les molécules et recombine les atomes, c'est que les réactions chimiques sont des phénomènes purement électroniques. Ce raisonnement trivial va être à la base de toute la chimie du XXème siècle, et est encore utilisée aujourd'hui dans la plupart des cas (la chimie quantique viendra un peu "perturber" cette mécanique bien huilée par Lewis et ses successeurs, mais elle ne viendra la compléter que dans quelques cas particuliers). Le [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] reste la référence en matière de représentation à la fois des atomes, des molécules, mais aussi des réactions et des mécanismes réactionnels en chimie.
Il est néanmoins certains que seul une description quantique de la molécule permet une approche presque satisfaisante des phénomènes chimiques.

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La logique de la chimie
</BLOCKQUOTE>La logique de la chimie devient alors flagrante lorsque les phénomènes deviennent compréhensibles et interprétables. Nous venons de voir qu'une réaction chimique implique des déplacements d'électrons, les électrons périphériques des atomes. Il restera maintenant qu'à découvrir les différents types de réactions chimiques qui existent, puis ensuite d'apprendre à les interpréter.


Les grands types de réactions sont :

• les réactions d'oxydo-rédution : échange d'électrons e^-,
  
• les réactions acido-basiques : échange de protons H⁺,
  
• les réactions de complexation, de précipitation, de substitution : échange de groupements ioniques ou moléculaires,
  
• les réactions d'élimination : départ de groupements d'une molécule,
  
• les réactions d'addition : greffe de groupements sur une molécule.
  

Expériences



Nous proposons ici quelques expérience simples permettant de mettre en évidence quelques phénomènes chimiques élémentaires.

• Mise en évidence de l'acidité et de la basicité de produits de la vie de tous les jours.
  
• Comment préparer soi même un indicateur coloré avec un choux rouge.
  
• Attention à l'utilisation de l'eau de javel !!!...
  
• Un vrai plaisir de faire la vaisselle : physico-chimie des micelles.
  
• De la vinaigrette à la mayonnaise : stabilité des émulsions, une recette de cuisine.
  
• L'effervescence des boissons gazeuses.
  
• La chimie du vin.
  
• La cuisson des aliments.
  
• La mode des liposomes revitalisants.
  
• La permanente de ces dames
  
• Les produits antirouille, comment ça marche ?
  
• Piles et accumulateurs.
  
• [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]
  
• Les peintures, les [ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط] et colorants alimentaires.
  
• Les colles.
  

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