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Atomes et molécules : première approche

Introduire le modèle moléculaire de la matière.

Chimie 5ème Chapitre 7 / 7 ⏱ 5 h

Ce que tu sauras faire à la fin

  • Écrire le symbole des atomes usuels
  • Lire une formule chimique simple
  • Expliquer un changement d'état avec le modèle moléculaire

Regarde un verre d'eau, une pièce de monnaie, l'air que tu respires : tout te paraît continu, comme une pâte sans trous. Pourtant, si tu pouvais grossir des milliards de fois n'importe quel morceau de matière, tu découvrirais qu'il n'est pas plein du tout : il est fait de toutes petites billes invisibles, séparées par du vide, en perpétuel mouvement. Ce chapitre te fait entrer dans ce monde minuscule.

Tu vas découvrir que toute la matière qui t'entoure — l'eau, l'air, le sucre, ton propre corps — est construite avec un tout petit nombre de « briques » de base appelées atomes, assemblées en molécules selon des règles très précises. C'est un peu comme un jeu de construction géant : avec quelques dizaines de sortes de briques seulement, la nature fabrique des millions de substances différentes.

Cette idée n'est pas nouvelle : il y a plus de deux mille ans déjà, des penseurs grecs imaginaient que la matière ne pouvait pas être coupée indéfiniment. Mais il a fallu attendre des expériences précises, que tu vas refaire pas à pas dans ce chapitre, pour la démontrer. À la fin, tu sauras écrire le symbole des atomes usuels, lire une formule chimique simple et expliquer un changement d'état avec le modèle moléculaire — des compétences dont tu te serviras pendant toute ta scolarité en sciences physiques.

1Notion d'atome

1.1  La matière est-elle continue ?

Pour savoir si la matière est pleine ou trouée, les scientifiques ont besoin de preuves. Trois expériences très simples, que tu peux refaire en classe, montrent que la matière n'est pas continue.

La dilution du permanganate de potassium. Le permanganate de potassium est un solide violet très foncé. On en dissout une pointe de spatule dans un verre d'eau : la solution devient violette. On prélève la moitié de cette solution, on la verse dans un nouveau bécher et on complète avec de l'eau claire jusqu'au même volume : la couleur est deux fois plus pâle. On recommence l'opération plusieurs fois de suite.

Exemple — la dilution ne fait jamais disparaître la couleur

À chaque dilution, la couleur violette devient plus pâle, mais elle ne disparaît jamais complètement : on distingue encore une très légère teinte violette au bécher 4, même après plusieurs dilutions. Si la matière était continue (une « pâte » sans grains), rien n'empêcherait la couleur de s'annuler brutalement. Le fait qu'elle s'affaiblisse progressivement, par paliers, est la preuve que le permanganate est fait de grains séparés — de particules — que l'on éloigne les unes des autres en ajoutant de l'eau.

Dilutions successives d'une solution de permanganate de potassium + eau + eau + eau Bécher 1Bécher 2Bécher 3Bécher 4 Le nombre de molécules colorées par unité de volume diminue à chaque dilution : la couleur s'affaiblit, mais les molécules ne disparaissent jamais.
Figure 1 — En ajoutant de l'eau à chaque étape, on divise la concentration en molécules colorées : la solution devient de plus en plus pâle, preuve que le permanganate est fait de particules dispersées dans l'eau.

La diffusion d'un parfum. Si quelqu'un ouvre un flacon de parfum à un bout d'une salle fermée, tout le monde finit par le sentir, même à l'autre bout, sans qu'aucun courant d'air ne le transporte. Les particules de parfum, invisibles, se déplacent seules dans l'air et se répandent peu à peu dans tout le volume disponible : c'est la diffusion.

La dissolution du sucre. Un morceau de sucre plongé dans l'eau devient invisible en quelques minutes, mais l'eau reste sucrée : le goût est toujours là. Le sucre n'a pas disparu, il s'est cassé en particules si petites qu'elles restent invisibles, dispersées entre les particules d'eau.

Exemple — trois preuves, une seule conclusion

Dilution, diffusion, dissolution : dans les trois cas, une substance devient invisible ou change d'aspect sans jamais disparaître réellement (couleur affaiblie, odeur perçue, goût conservé). La seule explication cohérente est que toute matière est constituée de très petites particules, invisibles à l'œil nu, qui peuvent se déplacer, s'éloigner les unes des autres ou se mélanger à d'autres particules.

1.2  Molécules et atomes

Définition — molécule

Une molécule est la plus petite particule d'une substance qui garde encore les propriétés de cette substance. Une molécule d'eau, aussi petite soit-elle, est encore de l'eau ; si on la casse, on n'a plus de l'eau.

Les molécules sont extraordinairement petites et extraordinairement nombreuses : une seule goutte d'eau, grosse comme une tête d'épingle, contient environ 1 700 milliards de milliards de molécules d'eau. C'est pour cela qu'on ne peut jamais voir une molécule isolée, même avec le meilleur des microscopes optiques ordinaires.

Définition — atome

Un atome est la plus petite brique de matière qui existe. Les atomes s'assemblent entre eux pour former les molécules, un peu comme des lettres s'assemblent pour former des mots. Il existe une centaine de sortes d'atomes différentes dans la nature ; en les combinant de mille façons, elles forment toutes les substances de l'Univers.

Attention

Ne confonds pas atome et molécule. L'atome est la brique élémentaire ; la molécule est l'assemblage de plusieurs briques (parfois une seule sorte, parfois plusieurs sortes). Une molécule de dioxygène est faite de deux atomes d'oxygène assemblés : l'atome d'oxygène seul et la molécule de dioxygène ne sont pas la même chose.

Chimie & Co — Une idée vieille de 2 400 ans

Vers -440, les philosophes grecs Leucippe et Démocrite imaginent déjà que la matière ne peut pas être coupée indéfiniment : au bout d'un moment, on obtiendrait un grain impossible à diviser encore, qu'ils appellent atomos (« que l'on ne peut pas couper », en grec ancien). C'est l'origine du mot atome. Mais leur idée reste une hypothèse philosophique, sans aucune expérience pour la vérifier.

Il faut attendre 1803, en Angleterre, pour que le chimiste John Dalton transforme cette intuition en véritable théorie scientifique, appuyée sur des mesures précises des masses des substances qui réagissent entre elles. La chimie moderne des atomes est née.

2Symboles des atomes courants

Écrire « atome d'hydrogène » à chaque fois serait trop long. Les chimistes du monde entier utilisent un code universel : chaque atome a un symbole, compris aussi bien à Dakar qu'à Tokyo ou à Montréal, quelle que soit la langue parlée.

2.1  Écrire le symbole d'un atome

Définition — symbole chimique

Le symbole chimique d'un atome est une abréviation d'une ou deux lettres :

  • la première lettre est toujours une majuscule ;
  • s'il y a une deuxième lettre, elle est toujours une minuscule.

Beaucoup de symboles viennent de la première lettre du nom français ou latin de l'atome.

AtomeSymboleAtomeSymbole
HydrogèneHSodiumNa
CarboneCMagnésiumMg
AzoteNAluminiumAl
OxygèneOSoufreS
ChloreClPotassiumK
FerFeCalciumCa
CuivreCuHéliumHe
Exemple — des symboles qui viennent du latin

Certains symboles ne ressemblent pas au nom français, car ils viennent du nom latin de l'atome : Na vient de natrium (sodium), Fe vient de ferrum (fer), Cu vient de cuprum (cuivre), K vient de kalium (potassium). Ces noms latins datent de l'Antiquité ou du Moyen Âge, bien avant que ces atomes soient compris scientifiquement.

Exemple — reconnaître un symbole correct

« CL » n'est pas un symbole chimique correct : la deuxième lettre doit être une minuscule, on écrit Cl. De même, on écrit Na et non « NA » ni « na ». Respecter les majuscules et les minuscules n'est pas un détail : c'est ce qui permet de ne jamais confondre deux atomes différents.

Attention — un piège classique

Co et CO ne désignent pas du tout la même chose ! Co (majuscule puis minuscule) est le symbole d'un seul atome, le cobalt. CO (deux majuscules) désigne une molécule faite d'un atome de carbone et d'un atome d'oxygène, le monoxyde de carbone — un gaz dangereux. Une seule lettre change, et le sens change complètement : vérifie toujours les majuscules et les minuscules.

Chimie & Co — Berzelius invente notre alphabet chimique

Avant 1813, chaque chimiste dessinait les atomes avec ses propres petits symboles (cercles, triangles, points…), ce qui rendait les articles scientifiques illisibles d'un pays à l'autre. En 1813, le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius propose d'utiliser simplement la ou les premières lettres du nom latin de chaque atome. Son système, à peine modifié, est encore celui que le monde entier utilise aujourd'hui — y compris toi, deux siècles plus tard.

3Molécule et formule chimique

3.1  Lire une formule chimique

Définition — formule chimique

La formule chimique d'une molécule indique quels atomes la composent et en quelle quantité. Elle s'écrit avec les symboles des atomes, suivis d'un petit chiffre en indice (le nombre d'atomes de ce type) quand il y en a plusieurs. Sans indice écrit, il y a un seul atome de ce type.

Par exemple, l'eau a pour formule H2O\text{H}_2\text{O} : chaque molécule d'eau contient 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène. Le dioxyde de carbone, CO2\text{CO}_2, contient 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène. Le dioxygène de l'air, O2\text{O}_2, est fait de 2 atomes d'oxygène identiques liés ensemble ; le diazote, N2\text{N}_2, de 2 atomes d'azote identiques.

Méthode — compter les atomes dans une formule

On lit la formule symbole par symbole. Chaque symbole représente une sorte d'atome ; le chiffre en indice juste après indique combien d'atomes de cette sorte sont présents. On additionne ensuite tous les indices pour obtenir le nombre total d'atomes dans une molécule.

Exemple — compter les atomes du glucose C6H12O6\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6
  1. C6\text{C}_66 atomes de carbone
  2. H12\text{H}_{12}12 atomes d'hydrogène
  3. O6\text{O}_66 atomes d'oxygène
  4. donc6+12+6=246+12+6 = 24 atomes au total dans une molécule de glucose
Exemple — deux petites molécules

La molécule de dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 contient 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène, soit 3 atomes en tout. La molécule de diazote N2\text{N}_2, qui forme presque 80 % de l'air que tu respires, contient 2 atomes d'azote identiques.

Attention — indice ou nombre de molécules ?

Ne confonds pas l'indice (petit chiffre collé après un symbole, qui décrit une seule molécule) et le nombre écrit devant la formule (qui compte des molécules entières). H2O2\text{H}_2\text{O}_2 est une seule molécule (l'eau oxygénée : 2 H et 2 O dans la même molécule). 2 H2O2\,\text{H}_2\text{O} désigne deux molécules d'eau séparées, chacune avec 2 H et 1 O. Ce ne sont pas du tout les mêmes atomes !

3.2  Modèles moléculaires

Propriété

Deux molécules qui ont la même formule chimique sont faites exactement des mêmes atomes, dans les mêmes proportions : ce sont deux échantillons de la même substance. Pour représenter une molécule dans l'espace, les chimistes utilisent des modèles moléculaires (« modèles boules ») : chaque atome est une boule de couleur, et chaque liaison entre deux atomes est un petit bâtonnet.

Par convention, l'atome d'oxygène est presque toujours représenté en rouge, le carbone en noir (ou gris foncé), l'hydrogène en blanc. Ce code de couleur, comme les symboles chimiques, est le même partout dans le monde.

Modèles boules de trois molécules courantes O = oxygène H = hydrogène C = carbone H₂O — eau O₂ — dioxygène CO₂ — dioxyde de carbone
Figure 2 — Modèles boules de trois molécules courantes : l'eau H₂O (une molécule coudée), le dioxygène O₂ (deux atomes identiques) et le dioxyde de carbone CO₂ (une molécule alignée).
Exemple — la forme des molécules n'est pas un hasard

La molécule d'eau n'est pas alignée : elle est coudée (en forme de V), avec l'atome d'oxygène au sommet. La molécule de dioxyde de carbone, elle, est parfaitement alignée (en ligne droite), avec le carbone au centre. Cette forme, différente pour chaque molécule, influence beaucoup les propriétés de la substance qu'elle constitue.

4Représentation des états de la matière

4.1  Solide, liquide, gaz : trois arrangements de molécules

Tu connais déjà les trois états physiques de la matière : solide, liquide, gaz. Le modèle moléculaire permet enfin de comprendre pourquoi chaque état a ses propriétés, et pas seulement de les constater.

Les trois états de la matière vus par le modèle moléculaire SolideLiquideGaz molécules serrées et rangées,elles vibrent sur place molécules serrées mais désordonnées,elles peuvent glisser entre elles molécules très espacées,très agitées, dans tous les sens
Figure 3 — Le modèle moléculaire explique les trois états : dans le solide, les molécules sont serrées et rangées ; dans le liquide, elles restent serrées mais peuvent glisser ; dans le gaz, très éloignées et très agitées, elles occupent tout l'espace disponible.
Propriété — les trois états au niveau moléculaire
  • Solide : les molécules sont serrées les unes contre les autres et rangées de façon ordonnée ; elles vibrent sur place mais ne changent pas de voisines. D'où une forme et un volume fixes.
  • Liquide : les molécules restent serrées (à peu près à la même distance que dans le solide) mais sont désordonnées : elles peuvent glisser les unes sur les autres. D'où un volume fixe mais une forme qui épouse le récipient.
  • Gaz : les molécules sont très éloignées les unes des autres et se déplacent très vite, dans tous les sens, en ligne droite jusqu'au prochain choc. D'où un gaz qui occupe tout le volume qu'on lui offre.
Justification — pourquoi peut-on comprimer un gaz, mais pas un liquide ?

Dans un liquide ou un solide, les molécules se touchent presque : il n'y a quasiment pas d'espace vide entre elles. Appuyer plus fort ne fait que les plaquer un peu plus les unes contre les autres — c'est pratiquement impossible, l'eau est incompressible. Dans un gaz, au contraire, l'espace vide entre les molécules est énorme comparé à leur taille : on peut rapprocher les molécules en réduisant le volume, il reste toujours de la place. C'est pour cela qu'on peut enfermer beaucoup de gaz dans une petite bouteille sous pression, comme une bonbonne de gaz butane.

4.2  Les changements d'état

Chauffer ou refroidir une substance ne crée ni ne détruit aucune molécule : cela change seulement leur agitation et leur organisation. Plus on chauffe, plus les molécules s'agitent ; à partir d'une certaine température, l'agitation devient assez forte pour casser l'ordre du solide, ou pour arracher les molécules les unes aux autres dans le liquide.

Nom du changementSens
Fusionsolide → liquide
Solidificationliquide → solide
Vaporisationliquide → gaz
Liquéfactiongaz → liquide
Sublimationsolide → gaz
Condensationgaz → solide
Exemple — la fusion de la glace

Dans un glaçon (solide), les molécules d'eau sont rangées en un réseau ordonné et ne font que vibrer sur place. En chauffant, l'agitation augmente jusqu'à devenir assez forte pour casser cet arrangement : les molécules, toujours aussi nombreuses et toujours les mêmes, peuvent alors glisser les unes sur les autres. Le glaçon devient de l'eau liquide : c'est la fusion. Aucune molécule d'eau n'a été créée ni détruite.

Exemple — l'évaporation d'une flaque d'eau

Une flaque d'eau disparaît en plein soleil sans laisser de trace : l'eau ne s'est pas volatilisée « comme par magie ». Les molécules d'eau les plus agitées de la surface s'échappent une à une dans l'air sous forme de vapeur (gaz) : c'est la vaporisation. Elles sont toujours là, simplement très dispersées dans l'air — c'est pour cela qu'une pièce humide sent l'humidité même sans flaque visible.

5Conservation des atomes

5.1  Corps pur ou mélange : compter les sortes de molécules

Définition — corps pur

Un corps pur est une substance qui ne contient qu'une seule sorte de molécule. L'eau distillée, le dioxygène pur d'une bouteille médicale, le sucre cristallisé sont des corps purs.

Définition — mélange

Un mélange contient plusieurs sortes de molécules différentes, réunies dans le même espace sans se transformer les unes dans les autres. L'eau salée, le jus de fruit, l'air (diazote + dioxygène + un peu d'autres gaz) sont des mélanges.

Corps pur et mélange vus par le modèle moléculaire Corps pur : une seule sorte de molécule Mélange : plusieurs sortes de molécules = molécule d'eau = molécule dissoute (ex. sel)
Figure 4 — Un corps pur ne contient qu'une seule sorte de molécule (ici, de l'eau pure) ; un mélange en contient plusieurs sortes, mélangées sans se transformer les unes dans les autres (ici, de l'eau salée).
Exemple — l'air, un mélange que tu respires en permanence

L'air n'est pas un corps pur : c'est un mélange composé d'environ 78 % de diazote N2\text{N}_2, 21 % de dioxygène O2\text{O}_2, et moins de 1 % d'autres gaz (dioxyde de carbone, argon…). Chaque bouffée d'air que tu respires contient donc plusieurs sortes de molécules différentes, mélangées mais bien distinctes.

5.2  Les atomes ne disparaissent jamais

Propriété — conservation des atomes

Au cours d'un changement d'état ou d'une transformation chimique, les atomes ne sont jamais créés et ne disparaissent jamais. Ils sont seulement réorganisés : les mêmes atomes, dans les mêmes nombres, se retrouvent avant et après — parfois assemblés en molécules différentes.

Chimie & Co — Lavoisier pèse la matière

En 1789, dans son Traité élémentaire de chimie, le chimiste français Antoine Lavoisier est le premier à peser soigneusement, avec une balance très précise, toutes les substances avant et après une transformation chimique en vase clos. Il constate que la masse totale ne change jamais. On résume souvent sa découverte par la formule : « Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. » Cette loi, aujourd'hui appelée conservation de la masse, s'explique très simplement par le modèle moléculaire : si tous les atomes sont conservés, et que chaque atome a toujours la même masse, alors la masse totale ne peut pas changer.

Justification — vérifier la conservation sur un exemple

L'électrolyse décompose l'eau en dihydrogène et dioxygène : 2 H2O→2 H2+O22\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2. Comptons les atomes de chaque côté.

  1. à gauche : 2 H2O2\,\text{H}_2\text{O}2 molécules, chacune avec 2 H et 1 O
  2. ⇒2×2=42\times2 = 4 atomes H et 2×1=22\times1 = 2 atomes O
  3. à droite : 2 H2+O22\,\text{H}_2 + \text{O}_22 molécules de dihydrogène et 1 molécule de dioxygène
  4. ⇒2×2=42\times2 = 4 atomes H et 1×2=21\times2 = 2 atomes O
  5. donc4 atomes H et 2 atomes O de chaque côté : les atomes sont bien conservés

En revanche, il y avait 2 molécules d'eau au départ et 3 molécules à l'arrivée (2 de dihydrogène + 1 de dioxygène) : ce sont les molécules qui changent de nombre et de nature, jamais les atomes.

Exemple — la combustion du charbon de bois

Quand le carbone du charbon de bois brûle complètement dans l'air, la réaction s'écrit C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2. À gauche : 1 atome C et 2 atomes O, dans deux substances différentes. À droite : 1 atome C et 2 atomes O, réunis dans l'unique molécule de CO2\text{CO}_2. Les atomes sont conservés, mais il y avait 2 molécules au départ (carbone et dioxygène) et 1 seule molécule à l'arrivée.

Attention — changement d'état ou transformation chimique ?

Ne confonds pas les deux. Dans un changement d'état (fusion, vaporisation…), les molécules restent exactement les mêmes, seule leur agitation et leur organisation changent : de la glace qui fond reste de l'eau. Dans une transformation chimique (comme l'électrolyse de l'eau ou une combustion), les molécules de départ sont détruites et de nouvelles molécules apparaissent : seuls les atomes, eux, sont toujours conservés dans les deux cas.

Fiche mémo

  • La matière est faite de molécules, très petites et très nombreuses (dilution, diffusion, dissolution le prouvent).
  • Une molécule est un assemblage d'atomes ; l'atome est la plus petite brique de matière.
  • Le symbole chimique d'un atome a une majuscule, puis éventuellement une minuscule : H, O, C, N, Fe, Na, Cu…
  • La formule chimique H2O\text{H}_2\text{O}, CO2\text{CO}_2, O2\text{O}_2… indique les atomes et leur nombre (indice) dans une molécule.
  • Le nombre devant une formule compte des molécules ; l'indice compte des atomes dans une seule molécule.
  • Solide : molécules serrées et rangées. Liquide : serrées mais désordonnées. Gaz : très espacées et très agitées.
  • Un gaz est compressible (grand espace vide entre molécules) ; un liquide ou un solide ne l'est presque pas.
  • Fusion, solidification, vaporisation, liquéfaction, sublimation, condensation : ces mots décrivent le sens d'un changement d'état.
  • Un changement d'état ne crée ni ne détruit de molécules ; il change seulement leur organisation et leur agitation.
  • Un corps pur = une seule sorte de molécule. Un mélange = plusieurs sortes de molécules différentes.
  • Dans une transformation chimique, les atomes se conservent toujours ; les molécules, elles, peuvent changer de nature et de nombre.
  • Conservation des atomes ⇒ conservation de la masse (loi de Lavoisier, 1789).

6Exercices corrigés

Niveau 1 — Application directe
1

Écris le symbole chimique des atomes suivants : hydrogène, oxygène, carbone, azote, fer, sodium.

Voir le corrigé détaillé

On applique la règle : première lettre en majuscule, deuxième lettre (si elle existe) en minuscule.

  • Hydrogène : H
  • Oxygène : O
  • Carbone : C
  • Azote : N
  • Fer : Fe
  • Sodium : Na
2

Pour chacune des molécules H2O\text{H}_2\text{O}, CO2\text{CO}_2, O2\text{O}_2, N2\text{N}_2, indique les atomes présents et leur nombre.

Voir le corrigé détaillé
  • H2O\text{H}_2\text{O} : 2 atomes d'hydrogène (H) et 1 atome d'oxygène (O).
  • CO2\text{CO}_2 : 1 atome de carbone (C) et 2 atomes d'oxygène (O).
  • O2\text{O}_2 : 2 atomes d'oxygène (O).
  • N2\text{N}_2 : 2 atomes d'azote (N).
3

Vrai ou faux ? a) Une molécule d'eau est visible au microscope optique. b) Le symbole du carbone est « Ca ». c) Un corps pur ne contient qu'une seule sorte de molécule. d) Dans un gaz, les molécules sont plus proches les unes des autres que dans un liquide. e) Au cours d'une fusion, des atomes disparaissent.

Voir le corrigé détaillé
  • a) Faux : une molécule est bien trop petite, même le meilleur microscope optique ne peut pas la montrer.
  • b) Faux : « Ca » est le symbole du calcium ; le carbone s'écrit « C ».
  • c) Vrai : c'est la définition même du corps pur.
  • d) Faux : c'est l'inverse, les molécules d'un gaz sont beaucoup plus éloignées que dans un liquide.
  • e) Faux : les atomes ne disparaissent jamais, ils sont seulement réorganisés (la glace qui fond reste de l'eau).
4

Identifie l'état de la matière décrit : a) « Les molécules sont serrées, parfaitement rangées, et ne font que vibrer sur place. » b) « Les molécules sont très éloignées les unes des autres et se déplacent très vite dans tous les sens. » c) « Les molécules sont serrées mais désordonnées, elles peuvent glisser les unes sur les autres. »

Voir le corrigé détaillé
  • a) Solide (ordre + molécules immobiles sur place).
  • b) Gaz (grande distance + grande vitesse).
  • c) Liquide (serrées mais désordonnées, elles glissent).
5

Classe chaque substance en corps pur ou mélange : eau distillée ; eau sucrée ; air ; dioxygène médical ; jus d'orange.

Voir le corrigé détaillé
  • Eau distillée : corps pur (uniquement des molécules d'eau).
  • Eau sucrée : mélange (molécules d'eau + molécules de sucre).
  • Air : mélange (diazote + dioxygène + autres gaz).
  • Dioxygène médical : corps pur (uniquement des molécules O2\text{O}_2).
  • Jus d'orange : mélange (eau + sucres + arômes + autres substances).
Niveau 2 — Approfondissement
6

On ouvre un flacon de parfum à un bout d'une salle de classe fermée. Après quelques minutes, tout le monde le sent, même au fond de la salle. Explique ce phénomène avec le modèle moléculaire.

Voir le corrigé détaillé

Le parfum est fait de molécules très petites et invisibles. Une fois libérées dans l'air, ces molécules se déplacent seules, de façon désordonnée, et se répandent peu à peu dans tout le volume disponible de la salle : c'est la diffusion. Aucun courant d'air n'est nécessaire ; c'est l'agitation naturelle des molécules qui les transporte jusqu'au nez de chaque élève, même les plus éloignés.

7

Compte les atomes présents dans chacune des molécules suivantes : ammoniac NH3\text{NH}_3, méthane CH4\text{CH}_4, éthanol C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O}.

Voir le corrigé détaillé
  1. NH3\text{NH}_31 atome N, 3 atomes H
  2. donc1+3=41+3 = 4 atomes au total
  3. CH4\text{CH}_41 atome C, 4 atomes H
  4. donc1+4=51+4 = 5 atomes au total
  5. C2H6O\text{C}_2\text{H}_6\text{O}2 atomes C, 6 atomes H, 1 atome O
  6. donc2+6+1=92+6+1 = 9 atomes au total
8

On peut enfoncer facilement le piston d'une seringue remplie d'air, fermée à son extrémité. On ne peut presque pas enfoncer le piston de la même seringue remplie d'eau. Explique cette différence avec le modèle moléculaire.

Voir le corrigé détaillé

Dans l'air (un gaz), les molécules sont très éloignées les unes des autres : il y a beaucoup d'espace vide entre elles. En poussant le piston, on peut rapprocher les molécules et réduire le volume occupé : l'air est compressible. Dans l'eau (un liquide), les molécules sont déjà serrées les unes contre les autres, presque sans espace vide : il n'y a quasiment aucune place pour les rapprocher davantage. L'eau est donc incompressible, et le piston refuse d'avancer.

9

La synthèse de l'ammoniac s'écrit N2+3 H2→2 NH3\text{N}_2 + 3\,\text{H}_2 \rightarrow 2\,\text{NH}_3. Vérifie que les atomes sont bien conservés.

Voir le corrigé détaillé
  1. à gauche : N2\text{N}_22 atomes N
  2. à gauche : 3 H23\,\text{H}_23×2=63\times2=6 atomes H
  3. à droite : 2 NH32\,\text{NH}_32×1=22\times1=2 atomes N et 2×3=62\times3=6 atomes H
  4. donc2 atomes N et 6 atomes H de chaque côté : les atomes sont conservés
Niveau 3 — Défi
10

On part d'une solution mère de permanganate de potassium. À chaque dilution, on prélève la moitié de la solution et on complète avec de l'eau jusqu'au même volume : la concentration en molécules colorées est alors divisée par 2. On réalise 3 dilutions successives de ce type.

  1. Par combien la concentration en molécules colorées a-t-elle été divisée au total ?
  2. Sachant que la solution mère avait une concentration correspondant à « niveau 100 » sur une échelle de couleur, quel est le niveau final ?
Voir le corrigé détaillé

1. Chaque dilution divise la concentration par 2 ; il y a 3 dilutions successives.

  1. dilution 1 : concentration ÷2\div 2
  2. dilution 2 : concentration ÷2\div 2 à nouveau
  3. dilution 3 : concentration ÷2\div 2 à nouveau
  4. doncconcentration finale ÷(2×2×2)=÷8\div (2\times2\times2) = \div 8

2. Niveau final :

  1. 100÷8100 \div 8
  2. =12,512{,}5

Après 3 dilutions, la concentration en molécules colorées est environ 8 fois plus faible qu'au départ : le niveau de couleur passe d'environ 100 à environ 12,5. Les molécules colorées n'ont pas disparu : elles sont juste réparties dans un volume d'eau 8 fois plus grand.

11

Un élève propose l'équation H2+O2→H2O\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O} pour la formation de l'eau. Vérifie si les atomes sont conservés. Si ce n'est pas le cas, propose une équation correcte.

Voir le corrigé détaillé
  1. à gauche : H2+O2\text{H}_2 + \text{O}_22 atomes H et 2 atomes O
  2. à droite : H2O\text{H}_2\text{O}2 atomes H et 1 atome O
  3. ⇒2 atomes O à gauche, 1 seul à droite : les atomes ne sont pas conservés

L'équation proposée est fausse : un atome d'oxygène disparaîtrait, ce qui est impossible. Pour rétablir la conservation, il faut deux molécules d'eau à l'arrivée :

  1. 2 H2+O2→2 H2O2\,\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}
  2. à gauche : 2×2=42\times2=4 atomes H et 22 atomes O
  3. à droite : 2×2=42\times2=4 atomes H et 2×1=22\times1=2 atomes O
  4. donc4 atomes H et 2 atomes O de chaque côté : équation correcte
12

Deux élèves discutent. Fatou dit : « Quand l'eau bout et se transforme en vapeur, des molécules d'eau sont détruites, c'est pour ça que le niveau d'eau baisse dans la casserole. » Moussa répond : « Non, je ne suis pas d'accord. » Qui a raison ? Justifie avec le modèle moléculaire.

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Moussa a raison. L'ébullition est un changement d'état (vaporisation), pas une transformation chimique : les molécules d'eau ne sont ni détruites ni créées, elles restent exactement les mêmes H2O\text{H}_2\text{O}. Ce qui change, c'est leur organisation et leur agitation : sous l'effet de la chaleur, elles s'agitent assez fort pour quitter le liquide et s'échapper sous forme de gaz (vapeur d'eau) dans l'air. Le niveau baisse dans la casserole simplement parce que les molécules d'eau partent vers l'air ambiant, pas parce qu'elles disparaissent : la conservation des atomes reste toujours vraie.

Niveau 4 — Problèmes de vie courante
13

À la pharmacie (Dakar). Un pharmacien de Dakar possède un flacon de 50 mL de solution antiseptique concentrée, acheté 2 500 F CFA. Pour l'usage courant, il dilue chaque mL de solution mère prélevée dans de l'eau, jusqu'à obtenir 5 mL de solution diluée au total (1 mL de produit + 4 mL d'eau).

  1. Quel volume de solution diluée obtient-il avec tout le flacon ?
  2. Quel est le coût, en F CFA, d'1 mL de solution diluée (arrondi à l'unité) ?
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1. Chaque mL prélevé donne 5 mL de solution diluée.

  1. 50×550 \times 5
  2. =250250 mL de solution diluée

2. Le flacon coûte 2 500 F CFA pour ces 250 mL utilisables.

  1. 2 500÷2502\,500 \div 250
  2. =1010 F CFA par mL

Le pharmacien obtient 250 mL de solution diluée pour environ 10 F CFA le mL. Chaque mL de solution diluée contient 5 fois moins de molécules actives par mL que la solution mère : c'est le même principe que la dilution du permanganate.

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Au marché (Ndjamena). Une marchande de Ndjamena vend des sachets d'eau de 500 mL : de l'« eau pure » (eau distillée) à 25 F CFA le sachet, et de l'« eau aromatisée » (eau + sucre + arôme) à 50 F CFA le sachet.

  1. Laquelle des deux boissons est un corps pur ? Laquelle est un mélange ? Justifie.
  2. Calcule le prix au litre de chaque boisson.
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1. L'eau pure ne contient qu'une seule sorte de molécule (H2O\text{H}_2\text{O}) : c'est un corps pur. L'eau aromatisée contient des molécules d'eau, de sucre et d'arôme mélangées : c'est un mélange.

2. Un sachet fait 500 mL, soit 0,5 L.

  1. eau pure : 25÷0,525 \div 0{,}5
  2. =5050 F CFA par litre
  3. eau aromatisée : 50÷0,550 \div 0{,}5
  4. =100100 F CFA par litre

L'eau aromatisée (le mélange) coûte deux fois plus cher au litre que l'eau pure, à cause des substances supplémentaires qu'elle contient.

15

Le vendeur de gaz (Abidjan). À Abidjan, une bonbonne de gaz butane de 6 kg coûte 3 500 F CFA. À l'intérieur de la bonbonne fermée, le butane est comprimé et se trouve à l'état liquide ; quand on ouvre le robinet, il ressort à l'état gazeux et peut brûler au fourneau.

  1. Explique avec le modèle moléculaire pourquoi on peut enfermer autant de butane, à l'état liquide, dans une bonbonne aussi petite.
  2. Calcule le prix au kilogramme du butane, arrondi à l'unité.
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1. À l'état liquide, les molécules de butane sont serrées les unes contre les autres, presque sans espace vide : le volume occupé est donc très réduit, ce qui permet d'en enfermer une grande masse dans une petite bonbonne. Si le même butane restait à l'état gazeux (comme à la sortie du robinet), les molécules très espacées occuperaient un volume beaucoup plus grand pour la même masse.

2. Prix au kilogramme :

  1. 3 500÷63\,500 \div 6
  2. ≈583583 F CFA par kg
16

La cuisine au charbon (Bamako). Une cuisinière de Bamako achète un sac de charbon de bois de 25 kg pour 6 000 F CFA. Quand le charbon (carbone) brûle complètement dans l'air, la réaction s'écrit C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2.

  1. Vérifie que les atomes sont conservés dans cette réaction.
  2. Calcule le prix au kilogramme du charbon.
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1. Comptons les atomes de chaque côté.

  1. à gauche : C+O2\text{C} + \text{O}_21 atome C et 2 atomes O
  2. à droite : CO2\text{CO}_21 atome C et 2 atomes O
  3. donc1 atome C et 2 atomes O de chaque côté : les atomes sont conservés

2. Prix au kilogramme :

  1. 6 000÷256\,000 \div 25
  2. =240240 F CFA par kg

📝 QCM de fin de leçon — 20 questions

Coche une réponse par question, puis clique sur « Vérifier mes réponses » : tu obtiens ta note sur 20 avec la correction détaillée de chaque question.

Quelle expérience prouve que la matière n'est pas continue, mais faite de particules ?

Explication : À chaque dilution, la couleur s'affaiblit progressivement mais ne disparaît jamais complètement : preuve que le permanganate est fait de particules séparées.

Une molécule est :

Explication : Une molécule d'eau, aussi petite soit-elle, est encore de l'eau ; si on la casse, on n'a plus de l'eau.

Un atome est :

Explication : L'atome est la brique élémentaire ; les atomes s'assemblent entre eux pour former les molécules.

Une molécule de dioxygène (O2\text{O}_2) est faite de :

Explication : L'atome d'oxygène seul et la molécule de dioxygène ne sont pas la même chose : O2\text{O}_2 rassemble deux atomes d'oxygène.

Le symbole chimique d'un atome s'écrit toujours avec :

Explication : La première lettre du symbole est toujours une majuscule ; s'il y a une deuxième lettre, elle est toujours une minuscule.

Parmi ces écritures, laquelle est le symbole chimique correct du chlore ?

Explication : « CL » n'est pas correct : la deuxième lettre doit être une minuscule, on écrit Cl.

Le symbole du sodium, Na, vient du mot latin :

Explication : Na vient de natrium ; ferrum a donné Fe (fer) et kalium a donné K (potassium).

Que désigne « CO » (deux majuscules), à ne pas confondre avec « Co » ?

Explication : Co (majuscule puis minuscule) désigne l'atome de cobalt, alors que CO (deux majuscules) désigne la molécule de monoxyde de carbone : une seule lettre change tout le sens.

Dans une formule chimique, le petit chiffre en indice après un symbole indique :

Explication : L'indice donne le nombre d'atomes de ce type dans la molécule ; sans indice écrit, il y a un seul atome de ce type.

Combien d'atomes contient une molécule de dioxyde de carbone CO2\text{CO}_2 ?

Explication : CO2\text{CO}_2 contient 1 atome de carbone et 2 atomes d'oxygène, soit 1+2=31 + 2 = 3 atomes en tout.

L'écriture 2 H2O2\,\text{H}_2\text{O} désigne :

Explication : Le nombre écrit devant la formule compte des molécules entières ; 2 H2O2\,\text{H}_2\text{O} désigne deux molécules d'eau séparées, chacune avec 2 H et 1 O.

Dans les modèles moléculaires (« modèles boules »), de quelle couleur représente-t-on habituellement l'atome d'oxygène ?

Explication : Par convention internationale, l'oxygène est représenté en rouge, le carbone en noir et l'hydrogène en blanc.

Dans un solide, les molécules sont :

Explication : Dans un solide, les molécules sont serrées et rangées de façon ordonnée ; elles vibrent sur place mais ne changent pas de voisines.

Pourquoi peut-on facilement comprimer un gaz, mais presque pas un liquide ?

Explication : Dans un liquide, les molécules se touchent presque : impossible de les rapprocher davantage. Dans un gaz, le grand espace vide entre elles permet de réduire le volume.

Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle :

Explication : La vaporisation est le passage de l'état liquide à l'état gazeux ; la fusion, elle, va du solide au liquide.

L'air que tu respires est :

Explication : L'air est un mélange composé d'environ 78 % de diazote N2\text{N}_2, 21 % de dioxygène O2\text{O}_2, et moins de 1 % d'autres gaz.

Au cours d'une transformation chimique (comme une combustion), les atomes :

Explication : Les atomes ne sont jamais créés ni détruits : ils sont réorganisés, parfois assemblés en molécules différentes.

Dans la réaction 2 H2O→2 H2+O22\,\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\,\text{H}_2 + \text{O}_2, combien d'atomes d'hydrogène (H) y a-t-il de chaque côté ?

Explication : À gauche, 2 H2O2\,\text{H}_2\text{O} contient 2×2=42 \times 2 = 4 atomes H. À droite, 2 H22\,\text{H}_2 contient aussi 2×2=42 \times 2 = 4 atomes H : les atomes sont conservés.

Dans la réaction C+O2→CO2\text{C} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2, que peut-on dire du nombre de molécules et du nombre d'atomes ?

Explication : Au départ, 2 molécules (carbone et dioxygène) ; à l'arrivée, 1 seule molécule de CO2\text{CO}_2. Le nombre de molécules change, mais les atomes (1 C, 2 O) sont toujours là.

De la glace fond au soleil et devient de l'eau liquide. Que peut-on dire des molécules d'eau ?

Explication : La fusion est un changement d'état : les molécules d'eau restent exactement les mêmes, seules leur agitation et leur organisation changent. Aucune molécule n'est créée ni détruite.
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