Imagine que tout ce que tu peux toucher, imaginer, sentir est constitué de milliards de minuscules particules appelées atomes.
Nous connaissons aujourd'hui \( 118 \) éléments chimiques différents organisés dans le tableau périodique.
Des réactions explosives du potassium et de l'eau aux merveilleuses propriétés de l'or, tu ne regarderas plus jamais les éléments de la même manière ! Que peux-tu penser des éléments de la chimie ?
Alors, plongeons et explorons le monde des éléments chimiques !
- Ce résumé de cours porte sur l'élément chimique.
- Tout d'abord, nous allons définir l'élément chimique.
- Ensuite, nous examinerons le tableau périodique, le numéro atomique et le nombre de masse.
- Nous aborderons les types des éléments chimiques.
- Nous verrons les atomes, les isotones et les éléments diatomiques et polyatomiques.
- Nous explorerons les propriétés des éléments chimiques.
- Nous présenterons la structure et la masse atomique des éléments chimiques.
- Enfin, nous terminerons notre résumé de cours par les éléments chimiques naturels et artificiels.
Qu'est-ce qu'un élément chimique ?
Les éléments chimiques désignent des substances pures composées uniquement d'atomes ayant le même nombre de protons.
Ils comprennent tous les atomes, leurs isotopes (atomes qui ne diffèrent que par le nombre de neutrons), ainsi que les molécules composées de plusieurs atomes ayant le même numéro atomique ( \( = \) nombre de protons). Les éléments chimiques ne peuvent plus être décomposés en d'autres substances à l'aide des méthodes de séparation chimiques traditionnelles.
Tableau périodique
Pour que tu comprennes exactement quelles sont les substances qui entrent dans la définition des éléments chimiques, tu peux consulter le tableau périodique des éléments. Tu vois ici une seule case du tableau périodique avec l'élément correspondant.
Fig.1- le tableau périodique .
Numéro atomique
Dans l'exemple de l'élément hydrogène \( H \) , tu vois en rouge le numéro atomique, qui indique le nombre de protons dans le noyau de l'atome. L'élément hydrogène possède donc un proton dans le noyau atomique. En haut à droite, tu trouves également la masse atomique \( 1,0080 \) . En bas à gauche se trouve l'électronégativité \( 2,2 \) de l'élément, en bas à droite sa densité \( 0,09 \) .
Le numéro atomique d'un atome détermine la position de l'élément dans le tableau périodique. Ainsi, l'hydrogène possède le numéro atomique \( 1 \) , l'hélium le numéro atomique \( 2 \) , le lithium le numéro atomique \( 3 \) et ainsi de suite.
La définition des éléments chimiques devient ainsi plus claire. Si l'on prend par exemple une molécule d'eau \( H_2O \) et que l'on réfléchit aux atomes qui composent la molécule ( \( H \) = hydrogène et \( O \) = oxygène), il est clair que les deux atomes n'ont pas le même numéro atomique. Comme tu le sais, l'hydrogène possède le numéro atomique \( 1 \) ( \( = 1 \) proton) et l'oxygène le numéro atomique \( 8 \) ( \( =8 \) protons), ils se trouvent donc à des positions différentes dans le tableau périodique. C'est pourquoi l'hydrogène et l'oxygène sont des éléments chimiques différents.
Nombre de masse
Le nombre de masse \( A \) donne le nombre total de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons, dans le noyau.
Il est généralement exprimé comme suit
\( ^{A} _{Z} X \)
où
\( X \) est le symbole de l'élément.
Par exemple, le carbone-12 contient \( 6 \) protons et \( 6 \) neutrons et est noté \( ^{12} _{6}C \) .
Éléments chimiques : Types
Les sections suivantes illustrent plus clairement les différents types d'éléments chimiques.
Atomes
La plus petite unité possible des éléments chimiques est l'atome. Tous les atomes répertoriés dans le tableau périodique des éléments font partie des éléments chimiques. Comme son nom l'indique, le tableau périodique des éléments sert à classer les éléments chimiques (en périodes (lignes). On peut y lire le numéro atomique (nombre de protons) d'un type d'atome, ainsi que le poids de l'élément présent à l'état naturel.
Isotones
Les isotopes ou isotones sont des variantes d'un élément dont les atomes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons. Ils sont également appelés nucléides.
L'hydrogène possède plusieurs isotopes, dont trois sont présents à l'état naturel.
- Protium ;
- Deutérium ;
- Tritium.
Ceux-ci se distinguent uniquement par leur nombre de neutrons. Ainsi, le protium (appelé ici atome d'hydrogène), qui figure dans le tableau périodique, ne possède pas de neutron, tandis que le deutérium en possède un et que le tritium en possède même deux.
Fig.2- Isotopes de l'hydrogène.Comme les neutrons ont une masse, le protium ( \( 0 \) neutron) est aussi appelé hydrogène léger, tandis que le deutérium ( \( 1 \) neutron) est appelé hydrogène lourd et le tritium ( \( 2 \) neutrons) hydrogène superlourd.Le protium est présent avec une fréquence proche de \( 100 \% \) , de sorte que les deux autres isotopes ne couvrent qu'une partie vraiment très faible des gisements d'hydrogène.
Les isotopes les plus connus sont les substances radioactives, comme l'uranium. Leur propriété radioactive provoque la fission du noyau atomique, ce qui modifie également le nombre de neutrons.
Les isotopes sont représentés et classés sur des "cartes des nucléides", où tu peux lire les propriétés importantes des isotopes, comme la demi-vie. L'une des cartes des nucléides les plus connues est la carte des nucléides de Karlsruhe. Elle contient les \( 118 \) éléments ainsi que plusieurs milliers de nucléides ( \( = \) isotopes).
Pour la recherche nucléaire, qui s'intéresse beaucoup aux isotopes, les cartes des nucléides sont l'équivalent du tableau périodique des éléments pour les chimistes.
Éléments diatomiques / polyatomiques
Outre les éléments chimiques monoatomiques, comme l'hélium, il existe également des éléments qui, lorsqu'ils sont associés à eux-mêmes, sont chimiquement plus stables que l'élément atomique. Ils forment ainsi des molécules diatomiques ou polyatomiques, tous les éléments chimiques du composé étant les mêmes.
Ces composés polyatomiques sont également appelés molécules élémentaires. Certains éléments gazeux se présentent sous la forme de tels éléments polyatomiques.
La forme atomique de l'élément est généralement plus instable, ce qui rend ces atomes plus réactifs. Ils se combinent donc rapidement avec d'autres éléments ou molécules et n'existent ainsi que très peu de temps en tant qu'élément atomique.
Liste des éléments chimiques
Les atomes suivants peuvent être présents en tant que molécules élémentaires :
- \( H \) : Hydrogène ;
- \( O_2, O_3 \) : Oxygène ;
- \( F_2 \) : Fluor ;
- \( Br_2 \) : Brome ;
- \( I_2 \) : Iode ;
- \( N_2 \) : Azote ;
- \( Cl_2 \) : Chlore ;
- \( C_{60} \) : Carbone.
Il existe encore quelques autres atomes qui peuvent être présents sous forme d'éléments polyatomiques.
Attention ! Cela ne s'applique pas aux combinaisons avec d'autres éléments !
Éléments chimiques : Propriétés
Les éléments chimiques ne peuvent plus être décomposés en d'autres substances à l'aide des méthodes de séparation chimiques traditionnelles. Ils sont donc les éléments de base des réactions chimiques. Ils peuvent donc s'associer à d'autres éléments pour former des composés chimiques. Ces composés chimiques peuvent à leur tour être décomposés en leurs éléments de base (éléments) par des méthodes chimiques.
États d'agrégation
Les éléments chimiques peuvent être présents dans les trois états de la matière :
- Solide ;
- Gazeux ;
- Liquide.
Mais la plupart des éléments se présentent sous forme solide ou gazeuse, il y a plus rarement des éléments qui se présentent sous forme liquide.
Éléments chimiques : Structure
Pour comprendre en quoi consiste exactement la différence entre les trois groupes d'éléments chimiques, il est important de connaître la structure des atomes.
Les éléments chimiques ont tous une structure similaire. Chaque élément est composé de :
- Protons chargés positivement ;
- Neutrons neutres ;
- Électrons chargés négativement.
Outre les protons, les neutrons se trouvent également dans le noyau de l'atome. Ensemble, ils sont appelés nucléons (du latin "nucleus" = noyau). En dehors de ce noyau atomique se trouvent les électrons. Dans le modèle atomique de Bohr, ceux-ci se trouvent dans les couches entourant le noyau atomique. Si les atomes ont le même nombre d'électrons dans la couche la plus externe, ils se comportent chimiquement de manière similaire. Ils se trouvent dans la même colonne du tableau périodique, appelée groupe principal.
Dans le modèle atomique de Bohr, les électrons sont disposés en couches autour du noyau atomique. Deux électrons se trouvent dans la couche la plus interne et huit dans chacune des autres. Les électrons sont disposés de l'intérieur vers l'extérieur, c'est-à-dire que si l'on a par exemple un atome d'oxygène avec huit électrons, il y a deux électrons dans la couche la plus intérieure et six électrons dans la deuxième couche.
Si l'on regarde la structure atomique de l'atome d'hydrogène (protium), on voit tout de suite que l'hydrogène est l'élément le plus simple. Il ne se compose que d'un proton et d'un électron. Ces deux éléments sont irremplaçables pour un atome, si bien que l'on ne trouve pas d'élément composé uniquement d'un électron, ou uniquement d'un proton. La deuxième particularité de l'atome d'hydrogène est qu'il ne possède pas de neutron.
Éléments chimiques : Masse atomique
La plus grande partie de la masse atomique se trouve dans le noyau atomique. Comme c'est là que se trouvent les protons et les neutrons, ce sont eux qui déterminent la masse. La masse des électrons est si faible qu'elle peut être négligée.
Unité de masse atomique
Un proton et un neutron ont tous deux une masse d'environ \( 1 u \) ( \( = \) unité de masse atomique).
La masse d'un neutron est de \( 1,008 665 u \) , tandis qu'un proton a une masse de \( 1,007 276 ... u \) . Comme tu peux le constater, le neutron est légèrement plus lourd que le proton.
Pour calculer la masse atomique d'un atome, tu peux donc simplement ajouter le nombre de protons au nombre de neutrons, puisque chaque neutron et chaque proton pèsent \( 1 u \) .
$$ \text {Masse atomique = nombre de protons + nombre de neutrons } $$
Pour calculer la masse atomique d'un atome d'hydrogène, il faut savoir combien de protons et de neutrons possède un atome d'hydrogène. Comme le numéro atomique indique combien de protons possède cet atome, il ne te manque plus que le nombre de neutrons pour calculer la masse atomique.
L'atome d'hydrogène représenté dans le tableau périodique ne possède pas de neutron, comme tu peux le voir sur le schéma ci-dessus
$$ Masse \ atomique = 1 \ protons + 0 \ neutrons $$
Il en résulte une masse atomique de \( 1 u \) pour l'atome d'hydrogène.
Masse des isotopes
Le calcul de la masse des isotopes est équivalent au calcul de la masse atomique. Les isotopes ne se distinguent des atomes que par leur nombre de neutrons.
Comme le deutérium possède un neutron de plus que l'atome d'hydrogène, on obtient l'équation suivante pour calculer la masse :
$$ Masse = 1 u + 1 u = 2 u $$
Le deutérium est donc deux fois plus lourd que l'atome d'hydrogène.
Masse des molécules élémentaires
Comme les éléments polyatomiques sont composés d'atomes ayant le même numéro atomique, il suffit de calculer la masse de l'atome et de la multiplier par le nombre d'atomes pour calculer la masse.
La majeure partie du volume d'un atome ou d'un isotope se trouve dans la couche électronique.
En dehors du noyau atomique, les électrons sont disposés dans ce que l'on appelle des couches dans le modèle atomique de Bohr. Plus un atome possède d'électrons, plus le volume de l'atome est grand, car plus de couches sont remplies d'électrons.
Comme tu l'as vu avec l'exemple de l'atome d'hydrogène, selon le modèle atomique de Bohr, l'hydrogène possède un électron dans la première couche électronique.
L'oxygène, quant à lui, possède huit fois plus d'électrons que l'hydrogène, ce qui augmente le volume de l'atome.
Le même principe s'applique aux isotopes, puisque, par rapport aux atomes, ils ne se distinguent que par le nombre de leurs neutrons. Ceux-ci n'ont pas d'effet sur le volume.
Pour calculer la masse de la molécule d'hydrogène élémentaire, il faut connaître la masse atomique de l'hydrogène. Comme tu l'as déjà vue dans l'exemple ci-dessus, tu peux l'introduire dans l'équation.
$$ Masse = masse atomique \times \text { nombre d'atomes} $$
$$ Masse = 1u \times 2 = 2 u $$
La molécule d'hydrogène est également deux fois plus lourde que l'atome d'hydrogène.
Éléments chimiques : indivisibilité
Les éléments chimiques, s'ils ne sont pas déjà présents en tant que tels, peuvent également être séparés des composés chimiques.
Cela se fait par exemple par :
- Apport d'énergie sous forme de chaleur ;
- De la combustion ;
- Du courant électrique ;
- Mélange avec des acides ;
- Des rayons ultraviolets ;
- Rayons \( X \) .
Ces méthodes ne permettent pas de décomposer immédiatement tous les composés chimiques en éléments. Certains composés sont à leur tour décomposés en d'autres composés chimiques.
Les éléments chimiques ne peuvent plus être séparés par les méthodes susmentionnées. Mais depuis la découverte de la fission nucléaire, il est possible de décomposer davantage les éléments chimiques.
Élément chimique : Origine
Comme toute chose, les éléments chimiques ont une origine historique. Dans le paragraphe suivant, tu apprendras comment ils ont été créés.
Élément chimique : Origine historique
Après le big bang, on trouvait principalement de l'hydrogène et de l'hélium. Aujourd'hui encore, des millénaires plus tard, l'hydrogène est l'élément le plus répandu dans l'univers. Ainsi, environ \( 93 \% \) de tous les atomes de l'univers sont des atomes d'hydrogène. L'hélium occupe encore aujourd'hui la deuxième place.
D'autres éléments chimiques se sont formés, par exemple
- Par fusion nucléaire ;
- Dans des étoiles en train de mourir ;
- Par l'influence des rayons cosmiques (rare) ;
- Artificiels (produits par l'homme).
Élément chimique : Origine des noms
Les noms des éléments proviennent tous du latin et du grec. Le symbole de l'élément, qui se compose d'une ou deux lettres, est également issu du nom individuel de l'élément (ex. : \( H = Hydrogenium \) ). C'est de là que vient le symbole de l'élément, qui semble parfois inapproprié en français (on pourrait en effet abréger l'hydrogène en français par \( H \)).
Tu connais certainement quelques-uns des exemples suivants :
- \( H \) = hydrogène (lat. Hydrogenium)
- \( C \) = carbone (lat. Carbo)
- \( Hg \) = mercure (lat. Hydrargyrum)
Le mot atome vient du mot grec "Àtomos", qui signifie "ce qui est indivisible".
Éléments chimiques naturels et artificiels
Il y a \( 118 \) éléments chimiques représentés dans le tableau périodique.
Éléments naturels
Les \( 94 \) premiers atomes représentés dans le tableau périodique des éléments (numéro atomique de \( 1 \) à \( 94 \) ) existent à l'état naturel.
Éléments artificiels
Par éléments artificiels, on entend des éléments chimiques qui n'existent pas naturellement, mais qui ont été créés artificiellement par l'homme. Il s'agit des atomes du tableau périodique portant les numéros atomiques \( 95 \) à \( 118 \) .
Élément chimique - Points clés
- Les éléments chimiques sont des substances qui ont le même nombre de protons dans le noyau de l'atome.
- Nous connaissons \( 118 \) éléments chimiques différents organisés dans le tableau périodique.
- Le numéro atomique d'un atome détermine la position de l'élément dans le tableau périodique.
- Le nombre de masse \( A \) donne le nombre total de nucléons, c'est-à-dire de protons et de neutrons, dans le noyau.
- Les isotones sont des variantes d'un élément dont les atomes ne diffèrent que par leur nombre de neutrons.
- Il existe trois types d'éléments chimiques : Les atomes, les isotopes et les molécules polyatomiques.
- Les éléments chimiques sont les éléments de base des réactions chimiques.
- Les éléments chimiques ne peuvent pas être décomposés en d'autres composants par des méthodes chimiques ou physiques habituelles, ils sont indivisibles (à l'exception de la fission nucléaire).
- Il existe des éléments naturels ( \( 94 \) éléments) et des éléments artificiels ( \( 24 \) éléments) qui ont été créés par l'homme.
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