Atomes et molécules
Quatrième · Physique-Chimie · Organisation et transformations de la matière
Organisation et transformations de la matière
L'atome, la brique de toute la matière
Une table, l'eau d'un verre, l'air que tu respires, ton propre corps : tout est fait de la même chose, des atomes. Ce qui change d'une matière à l'autre, ce n'est pas la nature de la brique, c'est lesquelles on assemble et comment. Ce chapitre te donne le vocabulaire pour décrire la matière à cette échelle minuscule.
Un atome, c'est surtout du vide
La taille d'un atome est de l'ordre de 0,1 nanomètre (nm), c'est-à-dire environ 0,0000000001 m. Son noyau est encore 100 000 fois plus petit que l'atome lui-même. Si on grossissait un atome jusqu'à la taille d'un stade de football, le noyau serait une bille posée au centre du terrain, et les électrons tourneraient au niveau des gradins. Entre les deux : du vide. La matière qui te paraît solide est donc, à l'échelle atomique, essentiellement vide.
Le symbole chimique
Il existe une centaine d'espèces d'atomes différentes, appelées éléments chimiques. Chacune est désignée par un symbole : une lettre majuscule, parfois suivie d'une lettre minuscule. Ce symbole est universel : un chimiste japonais ou brésilien écrit Fe comme toi pour le fer.
| Nom de l'atome | Symbole | Où le rencontre-t-on ? |
|---|---|---|
| Hydrogène | H | Dans l'eau, dans tous les combustibles |
| Carbone | C | Charbon, mine de crayon, êtres vivants |
| Azote | N | Gaz majoritaire de l'air |
| Oxygène | O | Air, eau, roches |
| Fer | Fe | Acier, hémoglobine du sang |
| Cuivre | Cu | Fils électriques, tuyauterie |
| Aluminium | Al | Canettes, papier alu |
| Sodium | Na | Sel de cuisine |
Organisation et transformations de la matière
Molécules, formules chimiques et états de la matière
Les atomes restent rarement seuls : ils s'associent en molécules. C'est cet assemblage qui explique l'énorme diversité des substances, alors qu'il n'existe qu'une centaine d'atomes différents. Un peu comme un alphabet de 26 lettres qui produit des millions de mots.
| Nom | Formule | Composition | Total d'atomes |
|---|---|---|---|
| Dioxygène | O2 | 2 atomes d'oxygène | 2 |
| Diazote | N2 | 2 atomes d'azote | 2 |
| Eau | H2O | 2 H et 1 O | 3 |
| Dioxyde de carbone | CO2 | 1 C et 2 O | 3 |
| Méthane | CH4 | 1 C et 4 H | 5 |
| Ammoniac | NH3 | 1 N et 3 H | 4 |
| Glucose | C6H12O6 | 6 C, 12 H et 6 O | 24 |
Corps pur simple ou corps pur composé ?
Un corps pur ne contient qu'une seule sorte de molécule. On le dit simple si ses molécules ne contiennent qu'une seule sorte d'atomes (O2, N2, H2), et composé si elles en contiennent plusieurs sortes (H2O, CO2, CH4). Attention, un mélange comme l'air contient plusieurs sortes de molécules : ce n'est pas un corps pur.
Les états de la matière vus de très près.
L'eau liquide, la glace et la vapeur d'eau sont toutes faites des mêmes molécules H2O. Ce qui change entre les trois états, c'est uniquement la disposition et l'agitation des molécules. Lors d'un changement d'état, les molécules ne sont ni détruites ni transformées : la masse se conserve.
| État | Disposition des molécules | Agitation | Forme / volume |
|---|---|---|---|
| Solide | Serrées, ordonnées, liées entre elles | Elles vibrent sur place | Forme propre, volume propre |
| Liquide | Serrées mais désordonnées, elles glissent | Elles se déplacent lentement | Pas de forme propre, volume propre |
| Gaz | Très éloignées les unes des autres, désordonnées | Très agitées, très rapides | Ni forme ni volume propres : il occupe tout l'espace |
Exercices corrigés
Quelle est la formule chimique de la molécule d'eau ?
- A.HO2
- B.H2OBonne réponse
- C.OH2
- D.H2O2
Réponse : B — H2O
La molécule d'eau s'écrit H2O : 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène. L'indice 2 se place juste après le H, car c'est l'hydrogène qui est présent deux fois. HO2 signifierait 1 H et 2 O, et H2O2 (le peroxyde d'hydrogène, l'eau oxygénée) est une substance différente et corrosive.
Combien d'atomes au total contient une molécule de dioxyde de carbone CO2 ?
- A.2 atomes
- B.4 atomes
- C.3 atomesBonne réponse
- D.1 atome
Réponse : C — 3 atomes
Dans CO2, le C n'a pas d'indice : il y a donc 1 atome de carbone. L'indice 2 après le O indique 2 atomes d'oxygène. Total : 1 + 2 = 3 atomes. L'erreur fréquente est de ne compter que l'indice visible (2) en oubliant le carbone.
Combien d'atomes au total contient une molécule de méthane CH4 ?
- A.4 atomes
- B.8 atomes
- C.2 atomes
- D.5 atomesBonne réponse
Réponse : D — 5 atomes
Dans CH4 : 1 atome de carbone (pas d'indice donc 1) et 4 atomes d'hydrogène. Total : 1 + 4 = 5 atomes. Répondre 4, c'est oublier le carbone. Répondre 2 serait compter les sortes d'atomes (C et H) et non les atomes eux-mêmes : attention, la question porte bien sur le nombre d'atomes.
Quel est l'ordre de grandeur de la taille d'un atome ?
- A.Environ 1 millimètre
- B.Environ 1 micromètre
- C.Environ 0,1 nanomètreBonne réponse
- D.Environ 1 centimètre
Réponse : C — Environ 0,1 nanomètre
Un atome mesure environ 0,1 nm, soit 0,0000000001 m. C'est bien au-delà de ce qu'un microscope optique peut montrer. Un millimètre ou un centimètre sont des tailles visibles à l'œil nu : des milliards d'atomes s'y aligneraient. Même le micromètre, taille typique d'une bactérie, reste environ 10 000 fois trop grand pour un atome.
Combien d'atomes au total représente l'écriture « 2 C3H8 » ?
- A.11 atomes
- B.22 atomesBonne réponse
- C.13 atomes
- D.6 atomes
Réponse : B — 22 atomes
Une molécule de C3H8 contient 3 atomes de carbone et 8 d'hydrogène, soit 3 + 8 = 11 atomes. Le coefficient 2 indique qu'il y a deux molécules : 2 × 11 = 22 atomes au total. Répondre 11, c'est oublier le coefficient. Répondre 13 (= 2 + 3 + 8) revient à additionner le coefficient au lieu de multiplier : le coefficient multiplie toujours, il ne s'ajoute jamais.
Combien d'atomes au total contient une molécule de glucose C6H12O6 ?
- A.18 atomes
- B.12 atomes
- C.24 atomesBonne réponse
- D.3 atomes
Réponse : C — 24 atomes
Il suffit d'additionner les indices : 6 atomes de carbone + 12 atomes d'hydrogène + 6 atomes d'oxygène = 24 atomes. Répondre 3 revient à compter les sortes d'atomes (C, H, O) et non les atomes. Répondre 18 oublie une partie du compte, souvent en négligeant l'un des groupes. Prends l'habitude d'écrire le détail avant d'additionner.
Dans « 5 CO2 », combien y a-t-il d'atomes d'oxygène ?
- A.10 atomes d'oxygèneBonne réponse
- B.2 atomes d'oxygène
- C.7 atomes d'oxygène
- D.5 atomes d'oxygène
Réponse : A — 10 atomes d'oxygène
Chaque molécule de CO2 contient 2 atomes d'oxygène. Avec un coefficient 5, on a 5 × 2 = 10 atomes d'oxygène (et au passage 5 atomes de carbone). Répondre 2 ignore le coefficient, répondre 5 confond coefficient et indice, et 7 (= 5 + 2) additionne au lieu de multiplier.
Un élève affirme : « la glace, l'eau liquide et la vapeur d'eau sont trois substances différentes ». Que penser de cette affirmation ?
- A.C'est vrai : la glace contient des molécules différentes
- B.C'est vrai, car leurs masses volumiques sont différentes
- C.C'est faux : ce sont les mêmes molécules H2O, seule leur disposition changeBonne réponse
- D.C'est faux : leurs molécules se transforment en O2 et H2
Réponse : C — C'est faux : ce sont les mêmes molécules H2O, seule leur disposition change
Les trois états de l'eau sont constitués des mêmes molécules H2O. Ce qui les distingue, c'est uniquement la disposition et l'agitation de ces molécules : serrées et ordonnées dans la glace, serrées et désordonnées dans le liquide, très écartées dans la vapeur. Les masses volumiques diffèrent effectivement, mais c'est une conséquence de cette disposition, pas la preuve d'un changement de substance. Et surtout, un changement d'état ne casse pas les molécules : il faudrait une transformation chimique pour obtenir O2 et H2.
Combien d'atomes au total représente l'écriture « 3 H2SO4 » ?
- A.7 atomes
- B.21 atomesBonne réponse
- C.10 atomes
- D.12 atomes
Réponse : B — 21 atomes
Décomposons une molécule de H2SO4 : 2 atomes d'hydrogène, 1 atome de soufre (pas d'indice donc 1) et 4 atomes d'oxygène, soit 2 + 1 + 4 = 7 atomes. Le coefficient 3 multiplie l'ensemble : 3 × 7 = 21 atomes. Détail par élément pour vérifier : 6 H, 3 S, 12 O, et 6 + 3 + 12 = 21. Le piège ici est double : oublier le soufre (qui n'a pas d'indice) et oublier le coefficient.
Un élève écrit « H4O2 » en pensant représenter deux molécules d'eau. Quelle est l'erreur ?
- A.Aucune erreur : H4O2 et 2 H2O désigneraient exactement la même chose sur le plan chimique
- B.Il fallait écrire 2 H4O2, en plaçant le coefficient devant la formule aux indices doublés
- C.Il fallait écrire H2O2, qui serait bien de l'eau sous une autre forme, plus compacte
- D.Il a doublé les indices au lieu d'utiliser un coefficient : deux molécules d'eau s'écrivent 2 H2OBonne réponse
Réponse : D — Il a doublé les indices au lieu d'utiliser un coefficient : deux molécules d'eau s'écrivent 2 H2O
Pour indiquer plusieurs molécules identiques, on place un coefficient DEVANT la formule sans jamais y toucher : 2 H2O. En doublant les indices, l'élève a écrit la formule d'une seule molécule contenant 4 H et 2 O, c'est-à-dire une substance qui n'est pas de l'eau. Retiens la règle : l'indice définit l'identité de la molécule, le coefficient compte les molécules. Au passage, H2O2 existe bien (c'est l'eau oxygénée), mais ce n'est pas de l'eau non plus.
De quoi un atome est-il constitué ?
- A.Uniquement d'un noyau
- B.D'un noyau et d'électrons qui se déplacent autourBonne réponse
- C.De molécules collées les unes aux autres
- D.D'électrons uniquement
Réponse : B — D'un noyau et d'électrons qui se déplacent autour
Un atome est formé d'un noyau central chargé positivement, autour duquel se déplacent des électrons chargés négativement. Attention à ne pas inverser l'échelle : ce sont les atomes qui forment les molécules, et non l'inverse. Un atome sans électrons ou sans noyau n'existe pas dans la matière ordinaire.
Quel est le symbole chimique de l'atome d'oxygène ?
- A.Ox
- B.O2
- C.OBonne réponse
- D.Og
Réponse : C — O
Le symbole de l'atome d'oxygène est O, une seule lettre majuscule. Attention au piège classique : O2 n'est pas un atome mais la molécule de dioxygène, formée de deux atomes d'oxygène liés. « Ox » et « Og » ne correspondent pas à l'oxygène.
S'entraîner sur ce chapitre
Ce chapitre compte 37 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.
Commencer les exercices