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Atomes et molécules : la matière à l’échelle microscopique
Le modèle particulaire des solides, des liquides et des gaz ; atomes et symboles ; molécules, modèles et formules (indice, coefficient) ; les changements d’état, les mélanges et la dissolution expliqués avec les particules
À propos de cette page
La matière est faite de particules (rappels de 6e)
En 6e, tu as décrit les trois états de la matière d’après ce que l’on voit : la forme, le volume, la compression. En 5e, on explique ces propriétés avec un modèle : la matière est faite de particules.
• Le modèle particulaire : toute la matière, solide, liquide ou gazeuse, est faite de particules minuscules, invisibles même au microscope optique. Entre les particules, il n’y a rien : du vide. Les particules bougent sans arrêt, d’autant plus vite que la température est élevée.
• Une espèce chimique (l’eau, le dioxygène, le fer…) est faite de particules toutes identiques.
• Solide : particules serrées et rangées ; elles vibrent sur place sans quitter leur place → forme propre, il ne se comprime pas.
• Liquide : particules serrées, en désordre, qui glissent les unes sur les autres → il prend la forme du récipient ; presque pas de vide entre elles → il ne se comprime presque pas.
• Gaz : particules très éloignées, en désordre, qui se déplacent dans tous les sens → il occupe tout l’espace offert ; beaucoup de vide → il se comprime.
Un même corps pur dessiné dans ses trois états, avec le même nombre de particules.
La seringue bouchée de 6e. On pousse le piston d’une seringue bouchée pleine d’air : le volume diminue, alors qu’aucune particule ne sort. Les molécules d’air se rapprochent : c’est le vide entre elles qui diminue. Pleine d’eau, la seringue ne se comprime presque pas : les molécules d’eau sont déjà presque au contact.
Une odeur qui se répand. Du pain grille dans la cuisine : peu après, on le sent dans le salon, sans courant d’air. Les molécules qui portent l’odeur se déplacent sans arrêt, dans tous les sens, entre les molécules de l’air.
Réflexe — je relie chaque propriété visible à l’organisation des particules : serrées ou éloignées ? rangées ou en désordre ? beaucoup de vide ou presque pas ?
Attention — une particule d’eau n’est ni solide, ni liquide, ni gazeuse : elle ne fond pas et ne mouille pas. C’est l’organisation des particules qui fait l’état. Et entre les molécules de l’air, il n’y a pas « de l’air » : il y a du vide.
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Atomes et molécules : symboles et modèles
Les particules dont est faite la matière sont des atomes et des molécules. Pour les écrire, les chimistes du monde entier utilisent les mêmes symboles.
• Chaque sorte d’atome a un symbole : une lettre majuscule, parfois suivie d’une lettre minuscule. Il vient souvent du nom latin : Na pour le sodium (natrium), Fe pour le fer (ferrum), Cu pour le cuivre (cuprum).
• Une molécule est un groupe d’atomes liés entre eux. Ses atomes peuvent être identiques (le dioxygène : deux atomes d’oxygène) ou différents (l’eau : deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène). Le préfixe di- signale deux atomes identiques : dioxygène, diazote, dihydrogène.
• Toutes les espèces ne sont pas faites de molécules : l’hélium et l’argon sont faits d’atomes isolés ; un métal comme le fer ou le cuivre est fait d’atomes empilés les uns contre les autres.
• On représente une molécule par un modèle : une boule par atome, une couleur par sorte d’atome (code usuel : hydrogène blanc, carbone noir, azote bleu, oxygène rouge, soufre jaune, chlore vert).
• Un atome est minuscule : son diamètre vaut environ 0,1 nanomètre (1 mm = 1 000 000 nm), soit un dix-millionième de millimètre. Il faudrait aligner environ 10 millions d’atomes pour couvrir 1 mm. Une seule goutte d’eau contient plus de mille milliards de milliards de molécules.
| Symbole | Atome | Symbole | Atome |
|---|---|---|---|
| H | hydrogène | Cl | chlore |
| C | carbone | Fe | fer |
| N | azote | Cu | cuivre |
| O | oxygène | Al | aluminium |
| S | soufre | Na | sodium |
Modèles (dessinés à plat) de l’eau H2O, du dioxygène O2, du dioxyde de carbone CO2 et du méthane CH4.
Une majuscule qui change tout. Co (une majuscule puis une minuscule) est le symbole de l’atome de cobalt. CO (deux majuscules) est une molécule : un atome de carbone lié à un atome d’oxygène, le monoxyde de carbone.
Atome ou molécule ? Le gaz que nous respirons est le dioxygène, fait de molécules O2. Écrire « O » serait faux : O désigne un seul atome d’oxygène.
Réflexe — un seul symbole, sans indice : un atome ; plusieurs symboles ou un indice : une molécule. Sur un modèle : une boule seule, un atome ; plusieurs boules liées, une molécule (je lis les couleurs avec la légende).
Attention — majuscules et minuscules comptent : Co n’est pas CO. Et l’oxygène O (un atome) n’est pas le dioxygène O2 (une molécule).
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Lire une formule : compter les atomes
Nouveau en 5e : une molécule s’écrit avec une formule, qui dit quels atomes elle contient et combien.
• Nombre total d’atomes = somme des indices. Nombre de sortes d’atomes = nombre de symboles différents.
• Un nombre écrit devant la formule, en taille normale, est un coefficient : il compte les molécules. Nombre d’atomes = coefficient × indice.
• Pour écrire une formule à partir de la composition : chaque symbole, suivi de son nombre d’atomes en indice (rien pour 1), dans l’ordre demandé.
| Molécule | Formule | Composition |
|---|---|---|
| eau | H2O | 2 atomes H + 1 atome O |
| dioxygène | O2 | 2 atomes O |
| diazote | N2 | 2 atomes N |
| dihydrogène | H2 | 2 atomes H |
| dioxyde de carbone | CO2 | 1 atome C + 2 atomes O |
| méthane | CH4 | 1 atome C + 4 atomes H |
Lire une formule. L’éthanol, l’alcool des boissons, a pour formule C2H6O : 2 atomes de carbone, 6 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène (indice non écrit). En tout 2 + 6 + 1 = 9 atomes, de 3 sortes.
Un coefficient. 3 H2O désigne trois molécules d’eau : 3 × 2 = 6 atomes d’hydrogène et 3 × 1 = 3 atomes d’oxygène.
Écrire une formule. Une molécule d’hydrazine contient 2 atomes d’azote et 4 atomes d’hydrogène (dans l’ordre N, H) : N2H4.
Réflexe — indice : je lis le nombre juste après le symbole (rien = 1) ; coefficient : je multiplie chaque indice par lui.
Attention — l’indice ne porte que sur le symbole juste avant lui : dans CO2, il y a 1 atome C et 2 atomes O. Et 2 H2O (deux molécules d’eau séparées) ne veut pas dire H4O2 (une seule molécule, qui n’existe pas).
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Les changements d’état à l’échelle des particules
Dans le chapitre Changements d’état, tu as vu que la masse se conserve et que le volume change. Le modèle particulaire explique pourquoi.
• Pendant un changement d’état, les molécules restent les mêmes (même formule) et aussi nombreuses : aucune n’est créée, aucune n’est détruite. La masse se conserve. C’est une transformation physique : la glace, l’eau liquide et la vapeur d’eau sont faites des mêmes molécules H2O.
• Seule l’organisation des molécules change : en fondant, elles quittent leurs rangs et glissent ; en se vaporisant, elles s’éloignent beaucoup les unes des autres. Pour la même masse, la vapeur d’eau à 100 °C occupe plus de 1 500 fois plus de place que l’eau liquide : le volume change.
• L’eau est une exception : dans la glace, les molécules rangées laissent plus d’espace entre elles que dans l’eau liquide. La glace prend environ 9 % de place en plus.
• Chauffer fait s’agiter les molécules davantage : c’est ce qui leur permet de quitter leurs places (fusion), puis de s’échapper du liquide (vaporisation).
La fusion de la glace : les mêmes douze molécules, rangées avant, en désordre après.
Le briquet transparent. Dans le réservoir d’un briquet, on voit du butane liquide. Quand on appuie, il sort à l’état gazeux. Ce sont les mêmes molécules C4H10, mais très éloignées les unes des autres.
Compter avant et après. Le dessin montre 12 molécules d’eau dans la glace ; après la fusion, on en compte encore 12. Même nombre de mêmes molécules : même masse. Elles ne sont plus rangées.
Réflexe — les molécules ont-elles changé ? Non : même formule, même nombre, donc même masse. Comment sont-elles organisées avant et après ? Le volume en dépend.
Attention — les molécules ne grossissent pas, ne fondent pas, ne gonflent pas : c’est l’espace entre elles qui change. Et la vapeur d’eau n’est pas une autre substance que l’eau : ce sont des molécules H2O éloignées.
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Corps purs, mélanges et dissolution à l’échelle des particules
Dans le chapitre Corps purs et mélanges, tu as reconnu un corps pur ou un mélange par l’expérience. À l’échelle des particules, la différence se voit tout de suite.
• Le nombre d’espèces chimiques est le nombre de sortes de particules, pas le nombre de sortes d’atomes : l’eau pure ne contient que des molécules H2O (corps pur), alors que chacune a deux sortes d’atomes. À l’inverse, un mélange de dioxygène O2 et d’ozone O3 ne contient que des atomes d’oxygène.
• L’air est un mélange : surtout des molécules de diazote N2 (environ 78 %) et de dioxygène O2 (environ 21 %), avec un peu d’argon Ar (moins de 1 %), fait d’atomes isolés.
• Mélange homogène : les particules des constituants sont mêlées partout. Mélange hétérogène : chaque sorte reste regroupée (couches, gouttes, grains).
• Dissolution : les particules du soluté se séparent et se dispersent entre les molécules du solvant. On ne les voit plus, mais elles sont toujours là, avec la même formule : la masse se conserve (masse de la solution = masse du solvant + masse du soluté).
L’air, dessiné en simplifiant les proportions : molécules de diazote et de dioxygène, atome d’argon.
Combien d’espèces ? Le dessin de l’air montre trois sortes de particules, N2, O2 et Ar : trois espèces chimiques, l’air est un mélange. Ses particules contiennent trois sortes d’atomes : azote, oxygène et argon.
Dissoudre du sucre. On dissout 20 g de sucre dans 250 g d’eau : le sucre ne se voit plus, mais ses molécules sont dispersées entre celles de l’eau. La balance indique 250 + 20 = 270 g.
Réflexe — je compte les sortes de particules : une seule, corps pur ; plusieurs, mélange. Pour une dissolution : les particules du soluté sont toujours là, les masses s’additionnent.
Attention — « une seule sorte d’atomes » ne veut pas dire « corps pur » (O2 + O3), et « deux sortes d’atomes » ne veut pas dire « mélange » (H2O). Un sucre qui se dissout ne fond pas : ses molécules se dispersent dans l’eau.
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Pour aller plus loin
Revoir. Les trois états en 6e : États de la matière. Les noms des changements d’état, les paliers, la masse et le volume : Changements d’état : température, masse et volume. Corps pur, mélange, solubilité : Corps purs et mélanges ; reconnaître une espèce chimique : Espèce chimique : identifier par des tests et des mesures. La température et l’agitation des particules : Chaleur et température.
Se verra en 4e — les transformations chimiques. Lors d’une transformation chimique (une combustion, par exemple), les atomes se séparent et se regroupent autrement : de nouvelles molécules apparaissent. On l’écrira avec des formules et une équation de réaction ; le tableau périodique classera les sortes d’atomes.
Se verra en 3e — l’intérieur de l’atome. Un atome est fait d’un noyau et d’électrons ; on écrira sa taille et sa masse avec des puissances de dix.
- La matière est faite de particules minuscules, séparées par du vide et toujours en mouvement. Solide : serrées et rangées ; liquide : serrées, en désordre ; gaz : très éloignées, en désordre.
- Un atome se note par un symbole (une majuscule, parfois suivie d’une minuscule) ; une molécule est un groupe d’atomes liés, identiques (O₂) ou différents (H₂O).
- Dans une formule, l’indice compte les atomes du symbole qui le précède (1 ne s’écrit pas) ; le coefficient, devant, compte les molécules : atomes = coefficient × indice.
- Pendant un changement d’état, les molécules restent les mêmes et aussi nombreuses : la masse se conserve ; seule leur organisation change, donc le volume.
- Corps pur : une seule sorte de particules ; mélange : plusieurs. Dissoudre : les particules du soluté se dispersent entre celles du solvant, la masse se conserve.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le modèle particulaire ?
C’est la description de la matière comme un ensemble de particules minuscules, séparées par du vide et toujours en mouvement. Dans un solide, elles sont serrées et rangées ; dans un liquide, serrées mais en désordre ; dans un gaz, très éloignées : c’est pourquoi seul le gaz se comprime facilement.
Quelle est la différence entre un atome et une molécule ?
L’atome est la plus petite particule étudiée au collège ; il se note par un symbole (H, C, O, Cl…). Une molécule est un groupe d’atomes liés : le dioxygène O₂ (deux atomes d’oxygène), l’eau H₂O (deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène).
Comment compter les atomes dans une formule ?
L’indice, écrit en bas à droite d’un symbole, donne le nombre d’atomes de cette sorte ; l’indice 1 ne s’écrit pas. On additionne les indices pour le total : C₂H₆O contient 2 + 6 + 1 = 9 atomes. Un coefficient devant la formule compte les molécules : dans 3 H₂O, il y a 6 atomes d’hydrogène.
Pourquoi la masse se conserve-t-elle pendant un changement d’état ?
Parce que les molécules restent les mêmes et aussi nombreuses : aucune n’est créée ni détruite. Seule leur organisation change (rangées, en désordre, éloignées), et c’est pour cela que le volume, lui, change.
Comment voir avec les particules qu’un corps est pur ?
Un corps pur ne contient qu’une seule sorte de particules, toutes identiques ; un mélange en contient au moins deux sortes. Il faut compter les sortes de particules, pas les sortes d’atomes : l’eau pure (H₂O) est un corps pur, un mélange de dioxygène et d’ozone ne contient que de l’oxygène.
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