Les bases de la chimie à la portée de tous, voilà l'objectif des quelques articles qui vont suivre.

J'espère que çà ne vous fera pas fuir, en tout cas j'attends vos commentaires ici pour savoir ce que vous en pensez.
Il est conseillé de ne pas tout lire d'un seul coup, mais de procéder par sections (6 en tout) pour prendre le temps d'assimiler, et aussi - je l'espère - y trouver de l'intérêt.

N'hésitez pas à dire ce que vous pensez de de cette tentative de vulgarisation scientifique. Es-ce trop compliqué? Trop lourd? Ou bien avez-vous été agréablement surpris malgré un a priori défavorable sur un sujet aussi "sérieux" que la chimie?

Et si vous constatez des erreurs, ou que vous souhaitez des précisions sur des points particuliers, mettez vos commentaires sur les articles correspondants. J'essairai de faire mon possible!

Sur ce, bonne lecture...

(tableau modifié d'après celui de http://www.cosmovisions.com/elemchimTable.htm)

L'univers entier, du grain de sable à la galaxie en passant par les êtres vivants, est constitué d'éléments. On en dénombre plus d'une centaine, regroupés par commodité dans un tableau appelé classification périodique. Chacun à son symbole, ainsi qu'un numéro et une masse atomiques, dont nous verrons bientôt l'utilité.

Imaginons que ce tableau avec ses cases soit en réalité un grand bureau, avec des tiroirs numérotés où sont rangés les stocks de chaque élément: nous pouvons désormais créer absolument tout ce que l'on désire, sous réserve que l'on sache bien déterminer quels éléments utiliser, car toutes les combinaisons ne sont pas valables.

Mais avant, regardons si nous n'avons pas déjà des éléments intéressants par eux-même, comme le n°79, de symbole Au... c'est de l'or! Le précieux métal jaune est donc un élément: nul besoin de formule complexe pour en créer. Ouvrons simplement le tiroir et servons nous...

Hélas, celui-ci est presque vide (d'autres ont du avoir la même idée avant nous). Il nous en reste tout juste assez pour obtenir une pièce. Restons philosophe, et coupons la pièce en deux pour se partager équitablement l'or. La pièce n'a plus de valeur en tant que monnaie, mais chacune des deux moitiés reste constituée d'or. Et si on continue de couper en deux les moitiés, puis les moitiés des moitiés,etc... on va finir par se trouver en présence de multiples et minuscules morceaux d'or, tels qu'on les a trouvé avant de fabriquer la pièce. A ce stade, on ne peut plus couper les morceaux, sinon on les détruit: on est en présence de la plus petite quantité d'or qui puisse exister: l'atome d'or. Dans chaque tiroir, on trouve ainsi des atomes de l'élément considéré, si petits qu'ils sont invisibles à l'oeil nu.

Il faut bien être conscient que dans la nature, on ne rencontre pratiquement jamais un élément qui soit constitué d'un unique atome présent en grandes quantités - chacun gardant son indépendance vis-à-vis des autres - comme dans nos tiroirs à éléments. Même l'or que l'on vient d'assembler et désassembler à loisir ne correspond pas à ce cas de figure. L'atome d'or tout seul ne peut exister, il doit impérativement être lié à d'autres atomes. Ainsi, la pièce d'or n'est pas constituée d'atomes indépendants empilés les uns sur les autres, mais d'atomes liés entre eux.

A présent, tentons de créer quelque chose qui soit à la fois simple et utile: de l'eau. Attention! L'eau n'est pas un élément (tout comme l'air, le feu et la terre), mais le résultat de la combinaison de plusieurs éléments: il est inutile de la chercher dans la classification!

Demandons à un chimiste de nous écrire la formule de l'eau. Il s'exécute rapidement, et on lit H2O. Le premier élément du tableau a justement un H comme symbole: il s'agit de l'hydrogène. On trouve le O un peu plus loin, avec son n°8: c'est l'oxygène. On sait maintenant que l'eau est constituée de seulement 2 éléments, à savoir l'hydrogène et l'oxygène. Mais combien faut-il prendre d'atomes pour chacun de ces deux éléments? Dans la formule, le petit 2 en indice (c'est à dire en bas à droite) du H signifie qu'il faut prendre 2 atomes d'hydrogène. Il n'y a pas de chiffre pour l'oxygène: on en a besoin que d'un seul. En combinant deux H et un O, nous formons notre première molécule d'eau (H2O). On désigne sous le terme de molécule toute liaison viable entre plusieurs atomes. Il va falloir en fabriquer beaucoup d'autres afin d'obtenir suffisamment d'eau pour se désaltérer, après ce travail harassant!

On peut trouver la matière sous trois états différents, le passage de l'un à l'autre étant conditionné par la température. A l'état solide (glace pour H2O), les molécules sont serrées comme des sardines et ne peuvent rien faire d'autre que se tenir contre leurs voisines! On a un emboîtement de molécules, un peu comme dans le cas des atomes d'or tout à l'heure, ce qui fait qu'on ne peut en discerner une en particulier parmi les autres. Ce ne sont donc pas encore tout à fait des molécules. A l'état liquide (eau courante), les molécules restent en contact tout en ayant la possibilité de glisser les unes sur les autres. On est ici véritablement en présence de molécules, car chacune est clairement individualisée. Enfin, à l'état gazeux (vapeur d'eau), elles sont indépendantes car totalement libres dans leurs mouvements. Elles ont la possibilité de prendre leurs distances et ne s'en privent pas, ce qui fait que les gaz se répandent dans tout l'espace disponible.

Sans le H, O2 est également une molécule, bien que constituée d'un seul élément. C'est sous cette forme, appelée dioxygène, que se trouve l'oxygène que nous respirons (rappelons que O ne peut exister seul). L'air étant composé d'un mélange de molécules de diazote (N2), de dioxygène (O2) et de dioxyde de carbone (CO2), on ne peut donc pas obtenir de formule pour fabriquer ''une'' molécule d'air. Ainsi, lorsqu'on affirme que l'air est un élément, c'est encore plus faux que dans le cas de l'eau!

Tentons maintenant de fabriquer O3. Cela ne pose aucun problème, bien qu'il semble que cette molécule soit plus fragile que O2 . On vient sans s'en rendre compte d'obtenir de l'ozone. Si on en manque de plus en plus dans la haute atmosphère (la fameuse couche d'ozone protectrice contre les rayons dangereux du soleil, bien que constituée d'innombrables molécules, n'est épaisse que de 3 millimètres en moyenne), ses effets sur terre sont très nocifs, aussi nous devons faire attention. Il est curieux de constater que l'ajout a priori anodin d'un simple atome d'oxygène à la molécule de dioxygène (qui en compte déjà deux) suffise pour la faire passer du statut de source de vie à celui de source de mort!

On peut estimer dès lors en avoir vu assez avec l'oxygène, et souhaiter passer à quelque chose d'un peu plus complexe. Mais en essayant au petit bonheur de fabriquer toutes sortes de molécules, en piochant allègrement dans tous les tiroirs, on constate avec amertume que l'on éprouve les pires difficultés. Bien souvent l'échec est au rendez-vous. Alors, plutôt que de relancer sans cesse le sympathique chimiste qui nous a aidé pour l'eau, afin qu'il nous fournisse les formules de tout ce qui nous passe par la tête, il semble plus judicieux d'expliquer ce qui peut conditionner la réussite d'une combinaison entre atomes...

Prenons dans son tiroir un atome que nous connaissons déjà, l'hydrogène, et examinons le de plus près pour voir à quoi il ressemble. Ceci constitue une tâche très difficile, même avec un microscope électronique haut de gamme! On fini tout de même par distinguer une sorte de grosse boule, avec une toute petite qui lui tourne sans cesse autour. C'est comme si on avait, en modèle ultra-réduit, la terre et la lune. Mais dans le cas qui nous intéresse, la ''lune'' tourne dans toutes les directions, et si vite qu'on ne peut jamais affirmer avec certitude où elle se trouve exactement. La ''terre'' est le noyau, tandis que la ''lune'' est l'électron.

Regardons maintenant comment se présente un atome d'hélium, l'élément qui porte le numéro 2 dans la classification. Cette fois, on a affaire au modèle de Mars, avec ses deux satellites Deimos et Phobos. L'hélium a donc 1 noyau et 2 électrons, soit un électron de plus que l'hydrogène. Le lithium, numéro 3, est quant à lui constitué par 1 noyau et 3 électrons. Sans surprise, on constate que l'élément suivant, appelé béryllium, a 1 noyau accompagné de 4 électrons. Nous savons donc maintenant qu'un atome est un noyau entouré par un certain nombre d'électrons, et que ce nombre correspond au numéro atomique inscrit dans la classification.

Il existe également des différences entre les atomes au niveau du noyau. Examinons celui de l'hydrogène: il possède une unique particule appelée proton. L'association proton/électron, qui constitue l'atome d'hydrogène, est chargée électriquement. Cette charge est dite neutre, car celle du proton (positive) compense exactement celle de l'électron (négative). Tous les atomes ont une charge électrique neutre, ce qui signifie qu'ils possèdent autant de protons que d'électrons. Ainsi, pour un élément, le numéro atomique correspond aussi au nombre de protons du noyau.

Une autre différence concernant le noyau vient de la présence à l'intérieur de celui-ci, aux côtés des protons, d'un dernier type de particule: les neutrons. Comme leur nom le suggère, ils ont une charge neutre. On peut toujours essayer d'en entasser des centaines dans un noyau, la charge globale sera toujours neutre. Alors que si on ajoute un seul électron ou un seul proton, l'équilibre électrique sera rompu. Pour un même élément, le nombre de neutrons n'est pas fixe. Un peu plus haut, on a vu que l'hydrogène n'avait aucun neutron. Ceci représente le cas le plus fréquent, lorsque l'élément est sous sa forme la plus stable, mais il se peut que le noyau contienne un ou deux neutrons. Ainsi, pour chaque élément, il existe un nombre de neutrons préférentiel, celui de la forme la plus stable, mais il existe d'autres valeurs, pour des formes moins stables. Chaque forme possible pour un élément est appelée un isotope (je sais c'est un nom bizarre, mais ce n'est pas moi qui l'ai inventé, il faudra faire avec!).

A ce titre, regardons de plus près le carbone, et tentons de reconstituer un atome. L'élément porte le numéro 6, donc il a 6 électrons et 6 protons. Mais combien de neutrons? Apparemment, on a aucun moyen de le déterminer. C'est donc maintenant qu'il faut se servir du dernier nombre inscrit dans la case du carbone, à savoir celui du nombre de masse. Pour le carbone, c'est 12 (peu importe l'unité). Comme les électrons ne pèsent presque rien, on peut considérer que la masse d'un atome est la somme de celle des protons plus celle des neutrons. Avec déjà 6 protons, il suffit de 6 neutrons pour arriver à un total de 12. Ouf! Récapitulons: la forme la plus stable du carbone a 6 électrons, 6 protons et 6 neutrons.

Un des isotopes du carbone sans doute le mieux connu est le "carbone 14" ou 14C. Dans ce cas, la masse atomique est égale à 14, ce qui implique la présence de 8 neutrons dans le noyau. Mais quel est le principe de la fameuse méthode de datation dite au 14C? On peut désormais l'expliquer aisément. Prenons un morceau de bois mort: lors de sa fossilisation, il a fixé beaucoup de 12C, car c'est l'isotope le plus fréquent, et un peu de 14C. Ce taux de départ est connu car il est le même que pour une fixation actuelle, les proportions d'isotopes dans la nature étant restées identiques. Au cours du temps, le 14C, du fait de sa moins grande stabilité, disparaît un peu plus rapidement de notre bout de bois que le 12C, dont la proportion augmente de plus en plus. Donc plus le bois est vieux, plus il contient de 12C en proportion. Et si on connait les vitesses de disparition du 14C et du 12C, on peut alors dater avec une grande précision le bout de bois, en comparant le rapport final entre les isotopes, mesuré, et le rapport initial déjà connu car toujours le même.