Introduction aux éléments

L'univers entier est fait de matière. En ce moment, vous en êtes entouré. L'air que nous respirons est de la matière, l'ordinateur, la maison, le sol, toutes les choses que vous voyez sont de la matière. Les odeurs que vous sentez sont de la matière et les sons que vous entendez sont causés par le mouvement de la matière dans vos oreilles.

La matière est tout ce qui occupe de l'espace et qui a du poids. Les scientifiques disent que la matière possède un volume et une masse. Elle est constituée de minuscules petits blocs de construction appelés molécules. Ces molécules sont composées d'atome, c'est le dernier stade où la matière est encore de la matière. Atome est un nom général, qui signifie "qu'on ne peut pas couper". Sous ce terme, il existe une centaine d'atomes différents que l'on nomme éléments chimiques. Ces éléments sont ce qui donne à la matière ses différentes qualités (dure, molle, brillante...).

Aujourd'hui, nous pouvons voir les atomes en utilisant un instrument spécial appelé un microscope électronique. Un microscope électronique nous permet de voir des choses qui sont des millions de fois plus petites que celles que nous pouvons voir avec un microscope optique puissant.

La plupart de la matière autour de nous est composée de plus d'un élément. Mais quelquefois, elle est composée d'un seul élément, c'est le cas du diamant ou de l'or.

Il n'y a pas beaucoup d'éléments qui apparaissent à l'état "natif", c'est à dire qui apparaissent comme morceaux de substance pure que vous pouvez ramasser à même le sol. Les éléments Or et Soufre apparaissent sous cette forme, comme le Carbone lorsqu'il est sous la forme d'un diamant. La plupart des substances sont faites de plusieurs éléments liés ensemble. Par exemple, l'eau possède la formule chimique H₂O signifiant qu'une molécule d'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène.

Pour les purifier, la plupart des éléments doivent être séparés les uns des autres, car dans beaucoup de cas, ils ont été fixés par des "liaisons chimiques" fortes. Quelquefois, ceci peut être réalisé facilement en utilisant la chaleur ou l'électricité.

Les peuples anciens savaient comment isoler l'élément Fer. Ils le faisaient en chauffant le minerai de fer à partir du sol avec du charbon issu du bois brûlé. Le matériau contenant le fer était originellement un "composé" de deux éléments, le fer et l'oxygène; en chauffant avec le charbon, l'oxygène était extrait sous forme de gaz appelé dioxyde de carbone, laissant le fer.

Les éléments Sodium et Chlore peuvent être séparés à partir du sel commun en faisant passer un courant électrique dans le sel qui est fondu à très haute température. Le sel qu'on a pris au départ est dit être un "composé" de sodium et de chlore. Son nom scientifique est le chlorure de sodium.

Une source intéressante d'éléments est l'air autour de nous. Il contient un mélange d'éléments qui sont tous gazeux, tel que l'Oxygène dont on a déjà parlé ci-dessus, ainsi que de nombreux gaz qui ne sont pas des éléments mais des composés - un peu comme le sel, mais différemment !

Pour obtenir les éléments à partir de l'air, nous avons besoin de le refroidir à une température très basse, plus basse que la Sibérie en hiver ! A environ - 190° C, il forme un liquide. C'est un peu comme refroidir la vapeur pour obtenir de l'eau. Ensuite, en faisant bouillir ce liquide, les gaz sont libérés un à la fois. Comme l'Oxygène et l'Azote, nous pouvons obtenir ce qui est appelé les éléments des "Gaz Nobles" comme l'Argon, le Xénon et le Krypton. Deux autres gaz nobles, l'Hélium et le Néon, sont présents dans l'air et peuvent en être extraits en refroidissant à une température encore plus basse.

Le tableau périodique des éléments est un tableau montrant les différentes sortes d'éléments arrangés en fonction de leurs caractéristiques différentes. Une grande partie de celui-ci a été élaboré il ya de nombreuses années. Jusqu'à présent, 81 éléments qui apparaissent naturellement ont été identifiés. Il en existe approximativement 25 de plus faits par l'homme.

Notions sur les éléments chimiques

Isotopes

Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Les atomes qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons sont appelés des isotopes. Les protons et les neutrons constituent collectivement les nucléons, les particules du noyau atomique. Le nombre total de nucléons d'un noyau est appelé nombre de masse, et noté A. Lorsqu'on s'intéresse à l'isotope, on le désigne comme nom de l'élément-nombre de masse. Par exemple, le célèbre Carbone-14 est l'isotope de nombre de masse 14 du carbone. Certains éléments ont un isotope beaucoup plus répandu que les autres dans la nature. Ainsi, le carbone se présente à 98,9 % sous l'isotope Carbone-12, à 1,1 % comme Carbone-13, et le Carbone-14 radioactif n'est présent qu'à l'état de trace. D'autres n'ont qu'un seul isotope stable, comme le fluor (100 % de Fluor-19), et d'autres, enfin, sont constituée de deux ou plusieurs isotopes présents dans des quantités appréciables, comme le cuivre (Cuivre-63 : 69 %, Cuivre 65 : 31 %).

Combinaisons des éléments

Les éléments chimiques (les atomes) peuvent se combiner de façons très variables. Sous forme pure, ils peuvent se présenter notamment comme des atomes séparés, comme des molécules comprenant plusieurs atomes d'un même élément, comme des solides cristallins. Sous forme de composés moléculaires, les atomes sont regroupés dans des molécules avec un nombre et un agencement précis d'atomes de divers éléments. Les éléments peuvent aussi être mélangés sous formes de composés chimiques moins strictement organisés, comme des alliages métalliques.

Noms et notation

L'origine des noms

Les noms des éléments chimiques varient selon les langues. Tous les éléments ont en revanche un unique symbole, constitué d'une lettre majuscule, et éventuellement d'une lettre minuscule. Le carbone est par exemple noté C, et le sodium Na (du latin Natrium). Les noms des éléments datent souvent d'avant leur classification par la science comme éléments (par opposition aux composés mélangeant plusieurs éléments). Par exemple, on appelait le plomb "plomb" bien avant d'avoir ne serait-ce que la notion d'élément chimique. Les noms proviennent de domaines très divers:

La mythologie : tantale, mercure, thorium, niobium.
Les couleurs : chrome, rubidium, chlore.
La géographie : polonium, germanium, francium, europium.
Le nom de leur découvreur ou d'un scientifique célèbre : curium, fermium, bohrium.

Les éléments récemment découverts, toujours des éléments lourds, instables, et artificiels, sont nommés après leur découverte par l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA).

Notation

On note un élément par son symbole éventuellement complété d'indices et exposants lorsque l'on parle d'un atome ou ion précis :

Le nombre de masse est noté en exposant à gauche du symbole (ex : ¹⁴C pour le carbone 14). Il permet de distinguer les isotopes.
On peut noter, toujours à gauche, en indice le numéro atomique, mais il est redondant avec le symbole. On pourrait ainsi noter 6 en indice à gauche du C pour le carbone, mais c'est normalement inutile, C indiquant déjà que le numéro atomique est 6. Cette notation est donc utilisée lorsque le numéro atomique de l'élément a une importance et n'est pas censée être connue du lecteur.
L'indice à droite indique la quantité de l'élément dans une molécule. Par exemple, H2O désigne la molécule d'eau, composée de deux atomes d'hydrogène (symbole H, et le 2 en indice indiquant leur nombre), et d'un atome d'oxygène (symbole O, on ne note pas le 1 qui est implicite).