La structure de la matière
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 élémentaires.
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.
Dans l'animation ci-contre, différents zooms nous font passer :
- 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.
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 :
- 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 sensiblement la même masse que le proton.
Ces trois particules ont des caractéristiques physiques bien connues (masse, charge, rayon), excepté le rayon de l'électron.
Constitution des atomes : électrons et nucléons
Dans l'atome, les deux parties importantes sont :
- le noyau où se trouvent protons et neutrons
- le nuage électronique où sont dispersés les électrons de l'atome
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'élément chimique.
Dans ce mode de représentation, un atome est caractérisé par :
- le nombre de proton : Z ;
- le nombre de neutrons : A - Z (puisque A est le nombre de nucléons, c'est-à-dire protons et neutrons) ;
- le nombre d'électrons qui est égal à :
- 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
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).
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
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..
La chimie est le monde des électrons
Les réactions chimiques 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.
Remarque. Pour atteindre le noyau, les énergies mises en jeu doivent être beaucoup plus importantes. Il s'agit alors de réactions nucléaires.
