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Ou

Ce que je croyais alors…

  

7-Un nombre infiniment grand d'infiniment petits

J'aimais bien la géologie. Et je l'aimais car nous avions, en cette classe de 4^ème de Lycée, un prof tout à fait passionné par sa discipline et qui nous en parlait avec ces mots simples qui font que la discipline la plus ardue devient accessible aux gamins…

Un jour toutefois, emporté sans doute par l'enthousiasme que lui suscitait l'enseignement des sciences, il dépassa sensiblement les limites du programme qui lui était assigné puisqu'il en vint à nous donner une première leçon de chimie, laquelle ne devait être abordée qu'en classe de 3^ème.

Ainsi vint-il à nous expliquer que toute matière était faite d'atomes et de molécules. Pour moi, le concept d'atomes n'était pas nouveau car j'avais plongé quelques années auparavant dans un numéro de Sciences et Vie consacré à l'énergie atomique – numéro qui m'avait laissé dans un tel état d'excitation que, après l'avoir lu et relu de la première à la dernière page, je me trouvais en mesure de répéter certains passages entiers et me faisait fort, devant un auditoire adulte, de faire la différence entre les isotopes d'uranium, par exemple, ou de quelle façon l'un de ces isotopes pouvait être transformé en plutonium  …

Toutefois, nulle part ce même numéro ne parlait de molécule, et ce concept restait un peu mystérieux pour moi. En particulier, qu'est ce qui était le plus gros? L'atome ou la molécule?

J'étais donc particulièrement attentif à ce que nous disait ce jour là notre prof et j'eus une sorte de révélation lorsque, après nous avoir affirmé que, toute matière étant faite d'atomes et de molécules, le meilleur moyen de se représenter cet agencement était de considérer que la molécule élémentaire d'une substance chimique était une sorte de sac contenant les atomes constitutifs de cette substance. Ainsi, avait il ajoutée, la molécule d'eau contenait un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène…

Habitué que j'étais à ne pas contester ce que disait un prof, j'admis cette affirmation comme une vérité indiscutable. Ce faisant je ne pouvais m'empêcher de penser que quelque chose clochait dans cette affirmation. Car enfin, si l'atome était la plus petite partie de toute chose, de quoi pouvait être fait le sac qui les contenait?

Bien entendu, j'eus la réponse à cette question au cours des années suivantes durant lesquelles les cours de chimie me rendront plus familiers, et plus précis, les concepts de molécule et d'atomes. Mais il me faudra attendre la classe de terminale, et la connaissance du nombre d'Avogadro, pour que molécules et atomes se trouvent définitivement reliés de façon quantitative. 

La solution 

Connu depuis l’antiquité comme "la plus petite partie non sécable de la matière", ce n’est qu’au tournant du XXème siècle que l’on a pu se faire de l’atome une représentation précise qui puisse faire consensus parmi les physiciens concernés.

Mais quelle est la masse d’un atome ? Il te suffit de retenir ici que cette masse est pratiquement contenue dans le seul noyau de l’atome, composé de deux types de particules "élémentaires" protons et neutrons, lesquels étant de masse individuelle sensiblement équivalente, cela te dispensera de les différencier pour la suite et te permettra de les renommer sous le seul terme de nucléons.

Le plus simple des atomes, celui de l’hydrogène – symbole H – est fait d’un seul nucléon. Si tu retiens la masse de ce dernier comme unité de masse atomique, alors la chimie nous enseigne que celle, par exemple du noyau d’oxygène – symbole O – est de 16 c’est-à-dire qu’il est composé de 16 nucléons. Ceci pour ne considérer que ces 2 éléments parmi la centaine d’autres possibles à identifier dans l’univers, comme tu pourrais le faire en jetant un coup d'œil au tableau périodique des éléments de Mendeleieff:

 

Tableau des éléments chimiques composant l'univers

L'hydrogène est le 1^er élément en haut à gauche, l'oxygène le 8^ème élément de la table

 

Bien entendu la masse en grammes d’un seul de ces atomes est si faible que tu ne pourrais la mesurer, même avec la meilleure des balances que tu pourrais construire…

Pour accéder à la mesure de ces masses, il te faut considérer le nombre d’atomes à rassembler pour que la masse totale de matière ainsi formée, exprimée en grammes, soit représentée par le même chiffre que celui de sa masse atomique. On parlera alors de 1 gramme d’hydrogène et 16 grammes d’oxygène par exemple. Par opposition à l’atome élémentaire de chaque élément tu parleras alors, pour ces ensembles, d’un atome-gramme d’hydrogène ou d’oxygène.

Au début du XIXème siècle le chimiste italien Amedeo Avogadro, à l’issue de moult expériences, formula une loi physique que l’on peut transcrire avec le vocabulaire défini ci-dessus: le nombre d’atomes contenus dans un atome-gramme est le même quelque soit l’élément considéré. En d’autres termes, il y a le même nombre d’atomes dans 1 gramme d’hydrogène que dans 16 grammes d’oxygène. Ce nombre, évidemment énorme compte tenu de la petitesse des atomes, et mesuré de différentes façons – dont leur description ici nous entrainerait trop loin – est exprimé en notation mathématique par :

N_A ~ 6,022 x 10²³ 

Traduit dans ton langage de tous les jours, N_A vaut à peu près 6 cent mille milliards de milliards…

Qu’en est-il à présent de la molécule?

La molécule est un assemblage stable de plusieurs atomes, soit identiques – comme la molécule d’hydrogène qui rassemble 2 atomes identiques: H₂ – tu parleras alors de corps simple, ou un assemblage d’éléments différents – la molécule d’eau rassemble 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène: H₂O – et tu parleras alors de corps composé.

Si tu substitues dans ces formules les atomes-gramme aux atomes élémentaires, la masse de la molécule de chacun des corps – tu parleras alors de molécule-gramme ou mole – sera la somme des masses des atomes-gramme qui les constituent. Ainsi, la masse molaire de la mole d’eau sera 2 + 16 = 18 grammes. Et la force de la loi d’Avogadro fait qu’elle s’applique également au niveau moléculaire…En d’autres termes le nombre de molécules contenues dans une mole de matière est le même quelque soit l’élément considéré, et ce nombre est égal à N_A.

 

Contenant N_A molécules, une mole de gaz occupe le même volume quelque soit ce gaz

(pour une température et une pression données)

 

Alors notre prof de géologie avait sans doute utilisé un raccourci pour appeler "sac" le rassemblement de N_A molécules d’eau et pour donner à cet ensemble le nom de son équivalent : la mole d'eau. Mais il fut bien inspiré de nous tenir ce discours, même approximatif, pour éveiller ta curiosité et la mienne. La preuve.

 

Et tout le reste n'est que littérature…

 

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